кущенко ргз. Оценка эффективности использования альтернативных видов топлива
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
2.2 Природный газ Природный газ. Природный газ как моторное топливо для автомобиля может поставляться в двух видах; • сжиженный; • компримированный (сжатый). Основной компонент природного газа — метан (углеводород, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода). Благодаря этому при его сжигании образуется примерно на 25 % меньше СО2 по сравнению с тем же количеством бензина (в энергетическом эквиваленте). По сравнению с дизельным топливом природный газ при сжигании в двигателях образует меньшее количество NOx, при этом он не образует сажи и соединений серы. Компримированный (сжатый) природный газ (КПГ). Техническое преимущество применения КПГ состоит в том, что моторное масло, находящееся на стенках цилиндров, не вступает во взаимодействие с газообразным метаном. Масло не разжижается и не загрязняется продуктами сгорания, в результате чего периодичность смены масла увеличивается в 1, 5—2 раза, на 15—20% уменьшается его эксплуатационный расход. Ресурс двигателя повышается в среднем на 35 %. Срок службы свечей зажигания увеличивается на 40 %. Ввиду того что октановое число природного газа составляет 114... 118 ед., исключается детонация двигателя. Отсюда следует и экологический эффект при работе двигателя автомобиля на природном газе: выбросы оксида углерода СО снижаются в 4—5 раз, окислов азота уменьшаются на 30—40 %, в 10 раз снижается дымность выхлопа дизельных двигателей. Основная проблема применения природного газа заключается в том, что метан — это газообразное топливо. Даже находясь под давлением 20 МПа, сжатый природный газ занимает в 4 раза больший объем, чем такое же (по энергии) количество бензина. Поэтому для его хранения на автомобиле требуются большие тяжелые баллоны, которые обеспечивают запас хода всего 200 км. Однако с появлением баллонов, изготовленных из алюминия с покрытием из углеродного волокна, проблема веса баллонов потеряла свою остроту. Переход автомобилей на сжатый природный газ (метан) приводит к снижению технико-экономических показателей: запас хода снижается на 88 %, грузоподъемность — примерно на 500... 550 кг. В общем случае применение КПГ в качестве моторного топлива имеет ряд существенных недостатков: • увеличение массы топливной системы; • значительное уменьшение пробега на одной заправке; • необходимость периодического освидетельствования баллонов высокого давления; • отсутствие развитой сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций и т. д. Сжиженный природный газ (СПГ). В нашей стране еще в начале 1950-х годов был осуществлен комплекс работ по изучению возможности использования СПГ на грузовом автотранспорте в качестве моторного топлива. Однако, несмотря на положительные результаты, сжиженный природный газ не нашел широкого практического применения из-за наличия мощной сырьевой базы для производства бензина и его низкой стоимости. Исследования, выполненные специалистами ОАО «Газпром» и ВНИИгаз, показывают, что использование СПГ в качестве моторного топлива, с точки зрения технико-экономической эффективности, значительно выгоднее, чем КПГ. Так, при масштабном производстве СПГ удельные капиталовложения на производство ниже на 25—30 %, себестоимость производства — на 40 %, а суммарные приведенные затраты на производство—доставку—распределение для СПГ — на 10—30 %, чем на аналогичные системы для КПГ. Сжижение уменьшает объем газа почти в 600 раз, что позволяет, по сравнению со сжатием газа, уменьшить массу системы хранения газа на автомобиле в 3—4 раза, а объем — в 1, 5—3 раза. Так, например, для грузового автомобиля ЗИЛ-138А, оборудованного криогенной емкостью объемом 300 л СПГ, пробег на одной заправке увеличивается в 1, 8 раза, а суммарная масса оборудования и топлива уменьшается на 600 кг по сравнению с тем же автомобилем, работающим на КПГ. Грузоподъемность автомобиля при его переводе на СПГ и пробег на одной заправке сопоставимы с аналогичными характеристиками автомобиля, работающего на традиционном топливе (бензине). Экологический эффект от применения СПГ заключается в том, что в отработавших газах уменьшается объем оксидов азота (до 85 % по сравнению с бензиновым) и углекислого газа. Таблица 4. Сравнительные характеристики топливной системы
2.3 Биотопливо Биотопливо может быть получено различными путями. Метанол получают газификацией биомассы, а этанол — ферментацией сельскохозяйственных культур с высоким содержанием сахара и крахмала. Ферментация — это биологический процесс, в котором материал, содержащий сахар, разлагается на этанол и диоксид углерода. В настоящее время ведутся исследования по производству этанола из целлюлозы. Первичное разложение этого сырья осуществляется с помощью ферментов и кислот. Биогаз — это топливо в газообразной форме, которое в основном состоит из гидрокарбонизированного метана. Данный продукт можно получить экстрагированием на установках для очистки сточных вод, на свалках мусора и в других местах, где присутствует биологически разлагающийся материал. В процессе анаэробной переработки происходит расщепление органического материала, главным образом, на метан и диоксид углерода. Производство также возможно путем газификации биомассы. Биотопливо растительного происхождения. Начиная с 90-х годов XX столетия в Европе постоянно возрастает значимость рапса, увеличиваются посевные площади под этой культурой. В некоторых странах Западной Европы они составляют 20 % пахотных земель. Многообещающим является использование рапсового масла как альтернативного вида топлива для автотранспорта. Биотопливная технология органически вписывается в схему фермерской деятельности, обеспечивая энергетику транспорта и сельскохозяйственных машин, поддерживая плодородие почвы (после уборки рапса на каждом гектаре остается в земле около 65 кг азота, 34 кг фосфорной кислоты, 60 кг калия), поставляя корм для скота. Расчеты показывают, что затраты на производство рапсовых семян 17 700 МДж/га; затраты на извлечение масла 700 МДж/га; энергия, полученная от масла, 22 200 МДж/га. Таким образом, энергетическая прибыль с каждого гектара 3800 МДж (по энергетической ценности это соответствует 110 л дизельного топлива). Растительные масла относятся к классу углеводородных соединений, хорошо растворяются в дизельном топливе, а присутствие кислорода в их химической структуре (более 10 %) повышает полноту сгорания топлива. Использование этих биологических продуктов, с одной стороны, способствует решению проблемы истощения ископаемых топлив, а с другой — предотвращению возникновения парникового эффекта. Использование биологического топлива позволяет сохранить баланс углекислого газа в атмосфере, так как его выбросы при сжигании биотоплива сопоставимы с количеством СО2, поглощаемым при выращивании растительного сырья в процессе фотосинтеза. Использование растительного масла как альтернативного вида топлива имеет определенные проблемы. Растительные масла обладают высокой вязкостью. Для уменьшения вязкости применяют разбавители — спирты, эфиры или дизельное топливо. Другая проблема — склонность растительных масел к образованию нагара. 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 (на 3 %). Этот недостаток пытаются устранить путем добавления в топливо активаторов горения. В то же время замена дизельного топлива на биодизельную смесь (50 % рапсовое масло и 50 % дизельное топливо) позволила в испытаниях на опытном двигателе сократить на 15—20 % выбросы NOх, на 10—15 % выбросы СО и СmНn и на 30—35 % выбросы сажи. В настоящее время в Германии действует около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла. Таблица 5. Физические свойства традиционного нефтяного и альтернативного топлива
Анализ литературных источников показывает, что рапсовое масло и метиловые эфиры рапсового масла могут быть использованы также в виде смазок и детергентных (моющих) присадок к маслам. Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трех видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Биогаз состоит из 50—87 % метана, 13—50 % СО2, незначительных примесей Н2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан, который практически является аналогом природного газа. Биогаз получают из отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например из силосной кукурузы, а также из водорослей. Выход газа может достигать до 500 м3 из 1 т. Биогаз можно также получать на свалках из муниципальных бытовых отходов. Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает мощное влияние на парниковый эффект. Наиболее распространенный промышленный метод получения биогаза— это анаэробное сбраживание в метантенках. Россия ежегодно накапливает до 300 млн т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн т в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м3. Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии. По прогнозам, к 2010 г. 10% автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе. 2.4 Синтетические жидкие и газообразные энергоносители Синтетические жидкие и газообразные энергоносители. Перспективным сырьем для производства жидких синтетических моторных топлив является природный газ. Дизельные топлива получают путем окисления природного газа в присутствии катализатора с последующим синтезированием. Однако такие топлива дороги, и здесь более приемлемыми являются синтезируемые из природного газа легкие парафиновые углеводороды в смеси с утяжеленными видами нефтяных топлив. Освоено производство синтетических жидких топлив из газов, получаемых при газификации биомассы. Основу этих топлив составляют углеводороды, из которых могут быть получены различные продукты, аналогичные производимым из нефти. Одним из наиболее вероятных альтернативных топлив для ДВС являются спирты — метиловый (метанол), этиловый (этанол) и нормальный бутанол, и здесь предпочтение отдается метанолу. Его производство возможно практически из любого сырья, содержащего углерод, а его стоимость сравнительно невысока. В то же время достаточно велики мировые запасы угля, представленные в табл. 4. 7, где н. э. — нефтяной эквивалент. Отсюда перспективным является производство синтетических газообразных и жидких топлив на основе термохимической переработки низкореакционных органических энергоносителей, в том числе и углей с использованием водяного пара, водорода и кислорода, а также электролиза и плазменных технологий. 2.5 Вода Использование воды при формировании топливовоздушной смеси в ДВС применялось еще на заре двигателестроения для снижения температуры деталей керосиновых двигателей и увеличения антидетонационного эффекта. В настоящее время подача воды в цилиндры ДВС используется также для снижения токсичности выбросов, расширения ресурсов применяемых топлив, повышения экономичности и уменьшения нагарообразования. При этом особый интерес проявляется к вопросу влияния подачи воды в ДВС на токсичность отработавших газов. Таблица 6. Ресурсы угля
 Рис. 3. Угольно-водородно-кислородные энерготехнологические комплексы: ТЭС — тепловые электростанции; АЭС — атомные электростанции; ГТУ — газотурбинная установка; -ЭХ, ТХ, ПХ — электро-, термо- и плазмохимические циклы; СЖЭ — синтетические жидкие энергоносители Установлено, что при участии водяных паров в процессе сгорания топлива в цилиндрах ДВС его температурный режим снижается, что приводит к снижению образования оксидов азота. Поскольку вода влияет на химическую реакцию горения топлива, то здесь в первую очередь необходимо отметить диссоциацию водяного пара на водород и кислород, а также на водород и гидроксильный радикал вследствие высокой температуры при сгорании углеводородных топлив: 2Н2О <=> 2Н2 + О2 2Н2О <=> 2Н2 + 2ОН  Рис. 4. Способы подачи воды в цилиндры ДВС Эти реакции диссоциации являются эндотермическими, что обусловливает уменьшение общего тепловыделения и, следовательно, снижение температуры в зоне диссоциации и средней температуры в реакционном объеме. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты тепловой энергии на диссоциацию воды. Разветвлению цепных реакций могут способствовать реакции, являющиеся продолжением предыдущих: Н2О + О2 <=> ОН + Н2О ОН + Н2<=>Н + Н2 О О2 + Н <=>ОН + О Н2 + О<=>ОН + Н Н2О + О <=> 2ОН В отработавших газах ДВС оксиды азота представлены как оксидом азота (NO), так и высшими оксидами — NO2,N2O3, N2O2, N2O4,N2O5. Однако на 95—99 % это оксид азота, который образуется в цилиндрах ДВС в результате окисления азота воздуха вследствие диссоциации молекулы кислорода воздуха под действием высокой температуры (реакция протекает с поглощением теплоты): О2 <=> О + О - 494 кДж/моль. Атомарный кислород соединяется с молекулой азота, а образовавшийся в результате эндотермической реакции атомарный азот вступает в экзотермическую реакцию с молекулярным кислородом: N2 + O<=>NO + N- 314 кДж/моль О2 + N <=> NO + О + 314 кДж/моль. Здесь потребление атома кислорода в первой реакции восполняется его образованием во второй реакции. Однако в присутствии диссоциированных водяных паров процесс образования оксида азота протекает по реакциям, отличающимся от последних двух: N2 + OH->NO + NH NH + O2->NO + OH 2NO + Н2 -> N2O2 + 2N + 279 кДж/моль Н2О2 + Н2 -> 2Н2О 2NO + Н2 -> N2O + Н2О + 220 кДж/моль N2O + Н2 -» N2 + Н2О Отсюда следует, что присутствующая в камере сгорания вода в виде водорода, кислорода и гидроксильного радикала оказывает не только каталитическое воздействие на цепные реакции горения, но и принимает участие непосредственно в самих реакциях, способствуя снижению содержания оксидов азота в выходе из цилиндров ДВС. Кроме того (здесь это не показано в виде реакций), исследованиями установлено положительное влияние паров воды как химического реагента на снижение выбросов с отработавшими газами и других вредных веществ (углерода, оксида углерода и углеводородов). Водотопливная эмульсия (ВТЭ) представляет собой организованную структурированную систему из двух взаимно нерастворимых и несмешивающихся жидкостей (вода и топливо), равномерно распределенных по всему объему смеси. Важным показателем качества ВТЭ является стабильность, от которой во многом зависит надежность работы дизеля. При этом различают кинетическую и агрегативную стабильность. Кинетическая стабильность характеризуется устойчивостью частиц воды в смеси, а агрегативная определяется наличием эмульгаторов, которые образуют на поверхности капель воды молекулярный слой, предотвращающий их слияние. Эмульсия в виде «дизельное топливо — вода» обладает низкой кинетической стабильностью, поскольку расслоение ВТЭ происходит за несколько часов. Агрегативная же стабильность такой эмульсии выше. Однако при подогреве ВТЭ до 50 °С она снижается, а низкая температура не оказывает на нее заметного влияния. Дисперсность ВТЭ определяется размерами капель воды, средний диаметр которых составляет 4... 20 мкм. При этом чем меньше размеры капель и чем они однороднее, тем равномернее распределяются частицы в смеси и выше кинетическая стабильность ВТЭ. При создании высокостабильных ВТЭ на основе применения эффективных диспергаторов и стабилизаторов с размером частиц 1... 3 мкм удается достичь содержания здесь воды 50—55 %, вследствие чего плотность и вязкость ВТЭ возрастают, поверхностное натяжение увеличивается, температура застывания и вспышки повышается, теплотворная способность снижается, а показатели токсичности и дымности улучшаются. Помимо указанных выше реакций капли воды оказывают сложное воздействие на процессы смесеобразования и сгорания топлива. Поскольку температура кипения мазута при нормальном давлении составляет 260—300 °С, а воды 100 °С, то последняя начинает кипеть раньше топлива, и микрочастицы воды образуют при этом паровые пузырьки. Испаряющаяся пленка топлива становится тоньше, и в итоге пары воды вследствие микровзрыва разрушают каплю, которая дробится, а ее частицы интенсивно испаряются и перемешиваются, ускоряя процесс. Микроструи от выбросов паров воды увеличивают турбулентное перемешивание частиц воды в струе распыленного топлива, благодаря чему процесс его сгорания становится более совершенным. При использовании на дизелях ВТЭ вследствие указанного их действия снижается теплонапряженность их деталей, создаются предпосылки для форсирования двигателя по мощности до 25 % без заметного повышения свойств указанных деталей. При этом уменьшается уровень нагаро- и лакообразования, снижается расход масла, существенно снижается дымность и токсичность (оксид углерода и оксиды азота) отработавших газов (до 60 %). Вместе с тем качество работы дизеля на ВТЭ существенно зависит от содержания в ней воды. Так, для дизеля марки ЯМЭ-238Л установлено, что в наиболее часто используемом диапазоне частот вращения коленчатого вала (1400... 1800 мин-1) при содержании в ВТЭ воды на уровне 20 % уменьшаются максимальный крутящий момент (на 10 %), эффективная мощность (на 15 %), коэффициент наполнения и эффективный КПД (на 10 %), а удельный эффективный расход топлива увеличивается (на 10%). Однако при этом концентрация СО в отработавших газах уменьшается при работе в скоростном режиме на 40—50 %, а в нагрузочном — на 20—30 %. Концентрация оксидов азота снижается при работе в скоростном режиме на 25 %, а при нагрузке — на 10—18 %. Следовательно, существенное улучшение экологических показателей здесь сопровождается ухудшением мощностных характеристик дизеля, из-за чего возникает необходимость в регулировании топливной аппаратуры в сторону увеличения ее производительности для сохранения исходной мощности ДВС. Таким образом, встает необходимость решить вопрос предельно допустимого соотношения в ВТЭ воды и топлива. Известно, что устойчивое горение высококачественной ВТЭ (размеры частиц воды от 1 до 10 мкм) обеспечивается при предельном содержании в ней воды до 65—67 %. Уменьшение содержания воды в ВТЭ до 20—35 % не вызывает резкого снижения показателей процесса горения. Однако изменение состава ВТЭ в сторону увеличения содержания воды свыше 74 % может привести к так называемому обращению фаз, что вызывает резкое возрастание вязкости системы, эмульсия желатинируется и приобретает свойства геля, вследствие чего желеобразные сгустки ВТЭ забивают проходное сечение топливного трубопровода и топливного фильтра, и нормальная работа ДВС на ВТЭ нарушается. Подано воды в жидком виде отдельно от топлива применяется как в дизельных, так и в бензиновых ДВС. Реализация рабочего цикла при подаче воды в цилиндры карбюраторного ДВС дополнительной форсункой обеспечивает максимальное снижение в отработавших газах оксидов азота на 69 % и оксида углерода на 13 %. Влияние же воды на основные параметры рабочего процесса дизеля в значительной степени зависит от условий ее впрыска в цилиндры. Впрыск воды перед впускными клапанами несколько уменьшает мощность и экономичность ДВС, но здесь существенно снижаются максимальное давление сгорания и температура головки цилиндров. Впрыск с предварительным достаточно полным испарением воды перед цилиндром дает прирост мощности вследствие увеличения расхода воздуха, но при этом снижение максимального давления сгорания и температуры цилиндров намного меньше, чем при впрыске вблизи впускных клапанов. В отличие от работы дизеля на ВТЭ при подаче воды во впускной трубопровод к моменту поступления топлива в цилиндре уже имеется нагретая до высокой температуры сжатая смесь воздуха с парами воды, которая, как указывалось выше, диссоциирует на активные радикалы ОН и Н, играющие существенную роль в инициировании процессов горения и увеличивающие концентрацию активных центров, влияя на кинетику химических превращений промежуточных продуктов окисления. При испытаниях дизеля Д-21А1 с указанной подачей воды установлено, что ее оптимальный расход должен составлять 50—100 % к расходу топлива. При этом наиболее существенное влияние оказывается на содержание оксидов азота в отработавших газах во всем диапазоне частот вращения. Здесь наибольший эффект достигался при малых частотах вращения (1200... 1400 мин-1), а при увеличении частоты вращения эффект от подачи воды уменьшается. Тем не менее при подаче 100 % воды к расходу топлива при частоте вращения 1800... 2000 мин-1 снижение содержания оксидов азота в отработавших газах составляет до 50—75 %. Однако при этом наблюдается незначительный рост содержания в отработавших газах углеводородов, оксида углерода и углерода (сажи). Для сравнения укажем, что при подаче воды во впускной трубопровод дизеля марки ЯМЗ-240 автомобиля БелАЗ-540А в количестве 30—40 % к расходу топлива выделение оксидов азота уменьшилось в среднем на 30 %, а нагарообразование в цилиндрах снизилось в 2—3 раза. В рассматриваемом способе возможна подача воды более 100 % к расходу топлива. Однако, поскольку качественное испарение воды при существующих температуре и давлении во впускном трубопроводе ограниченно, то часть воды в виде капель попадет в цилиндры ДВС, отнимая теплоту у их стенок и ухудшая условия горения топлива в присутствии избыточной влаги. Подача воды в ДВС в виде пара является относительно новым способом повышения его экологических показателей, что подтверждается соответствующими исследованиями. Так, для ДВС с турбонаддувом за рубежом создана система, в которой насыщение парами воды сжатого в компрессоре воздуха осуществляется в специальном аппарате испарительного увлажнения, после которого воздух с относительной влажностью около 99 % поступает в дизель. Передача влаги высокотемпературному (около 170 °С) воздуху в водоиспарительном аппарате осуществляется в насадке регулярной структуры, орошаемой потоком горячей воды, которая подогревается в специальном теплообменнике, утилизирующем энергию отработавших газов ДВС. Процесс увлажнения воздуха в такой системе происходит с авторегулированием в соответствии с нагрузочным режимом ДВС. В системе после насадки предусмотрен сепаратор капельной влаги, что исключает ее попадание в цилиндры ДВС. При подаче воды до 260—300 % к расходу топлива конденсации влаги в цилиндрах не происходит. При таком увлажнении топливовоздушной смеси выявлено значительное снижение содержания оксидов азота в отработавших газах (до 80 %), несущественное увеличение СО, СmНn и сажи, незначительное влияние системы на расход топлива (±0, 5 %). Однако в системе водоиспарительного насыщения топливовоздушной смеси также встает необходимость решения вопроса рационального соотношения количества воды и топлива, например, для рассмотренного ранее дизеля Д-21А1. Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуется 14, 5 кг воздуха. Как показано выше, для существенного снижения токсичности выбросов дизеля достаточно создать насыщение парами воды не менее 30 % от массы содержащегося в смеси топлива. |