Газовые топлива, по сравнению с нефтяными, обладают лучшими экологическими показателями. Их потенциальные ресурсы во много раз превосходят ресурсы нефти. Топлива из легких углеводородных газов в настоящее время уже применяются на автомобильном транспорте. Ведутся интенсивные работы по переводу части железнодорожного и авиационного парка на газовые топлива.
Ведутся исследования с целью проверки возможности использования нефтяного газа в авиации. В частности, комплексный анализ, выполненный в
ЦИАМ, ЦАГИ и ВНИПИгазпереработка в начале 80-х годов, показал, что для вертолетов оптимальным топливом, получаемым из нефтяного газа, является смесь пропана, бутана, пентана и гексана, получившая в дальнейшем условное название «авиационное сконденсированное топливо» (АСКТ).
АСКТ по многим эксплуатационным показателям превосходит применяемые на вертолетах традиционные авиатоплива. Оно экологически более чистое и менее коррозионно-активное: в нем отсутствуют сернистые соединения, ароматические углеводороды, смолы, асфальтены и другие вредные вещества, присутствующие в авиационных топливах (ТС-1, РТ и др.). АСКТ обладает лучшими пусковыми свойствами по сравнению с массовым авиатопливом ТС-1.
АСКТ по физико-химическим и эксплуатационным свойствам существенно отличается от топлив, получаемых из нефти. Поэтому перевод транспортного средства на АСКТ требует определенной доработки двигателя и летательного аппарата.
По инициативе ЦАГИ и ЦИАМ в 1982 г. было принято решение о технической реализации предложения по использованию топлива, получаемого из нефтяного газа, на вертолете Ми-8Т. В ЛНПО им. В.Я. Климова была проведена доработка двигателя, а в МВЗ им. М.Л. Миля - вертолета. Топливная система была доработана из расчета подачи в камеру сгорания АСКТ в жидком состоянии.
Предварительные стендовые испытания двигателя на сжиженном газе были проведены в ЛНПО им. В.Я. Климова в конце 1985 г. Двигатель испытывался на технологическом бутане, пропан-бутановых смесях, пропане и топливе ТС-1. Было установлено, что основные параметры двигателя при работе на сжиженных газах и топливе ТС-1 практически не отличались от параметров серийного двигателя.
Модернизированный двигатель был установлен на специально подготовленный вертолет Ми-8Т. Первый полет экспериментального вертолета состоялся в конце 1987 г., а в начале 1988 г. были успешно завершены летные испытания.
Исследования, проведенные
ЦАГИ,
ЦИАМ,
ГосНИИГА,
НИПИгазпереработка, ОКБ С.В. Ильюшина и А.С. Яковлева, показали возможность, а, главное, эффективность перевода на газовое топливо не только вертолетов, но и самолетов. Причем, такую разновидность газового топлива, как
АСКТ-Б (обеспропаненное АСКТ), можно заливать непосредственно в плоские крыльевые топливные баки самолетов местных авиалиний (Ил-114, Як-
40) и т.п. до температуры окружающей среды от +5°С и ниже (такие температуры в некоторых районах Сибири и Севера бывают до 10 месяцев в году). Масса дополнительных агрегатов газокеросиновой топливной системы, например, для самолета Ил-114 не превысит 20 кг.
На разных стадиях разработки и внедрения находятся следующие специально предназначенные для транспорта сорта топлив:
- сжиженный природный газ (СПГ) для поршневых двигателей по ТУ-51-
03-85;
- криогенное метановое топливо (КМТ);
- авиационное сконденсированное топливо (АСКТ) по ТУ 39-1547-91.
Сжиженный природный газ (СПГ). Предназначается для использования в двигателях автомобилей, тепловозов, речных судов в соответствии с ТУ 51- 03-
85 и в авиации (топливо КМТ – криогенное метановое).
Топливо по ТУ 51-03-85 изготовляется из природного или глубоко отбензиненного нефтяного газа. Основной компонент в этом топливе метан. По физико-химическим свойствам топливо
должно соответствовать требованиям и нормам, приведенным в табл. 3.2. Это топливо без цвета и запаха относится к криогенным жидкостям с температурой -168…-150°С при атмосферном давлении; плотность 460-480 кг/м
3
Таблица3.2 Характеристики топлива из очищенного природного газа (ТУ 51-03-85) Показатель
Норма
Состав, % (об):
СН4
С2Н6
С3Н8+В
N2
Содержание сероводорода и меркаптановой серы, % (мас.), не более
Теплота сгорания низшая при температуре 20ºС, кДж/м3, не менее
92 ±6 4± 3 2,5 ±2 1,5±1,5 0,005 39100
Авиационное сконденсированное топливо (АСКТ). На топливо имеются технические условия ТУ 39-1547-91. Оно представляет собой смесь легких парафиновых углеводородов (пропан, бутан, пентан, гексан с небольшими примесями этана и гептана). АСКТ бесцветная, прозрачная жидкость, кипящая при отрицательных температурах, имеет специфический запах. Основным сырьем для его производства является широкая фракция легких углеводородов
(ШФЛУ), получаемая на НПЗ из нефтяного газа. Топливо предназначено для использования в летательных аппаратах с газотурбинными двигателями. По физико-химическим свойствам АСКТ должно соответствовать требованиям и нормам, приведенным в табл. 3.3.
Физико-химические свойства АСКТ, отличающие его от керосина, обусловливают принятие специфических мер по обеспечению техники безопасности, пожарной защиты и охраны окружающей среды при его использовании. Однако, учитывая, что свойства АСКТ близки к свойствам углеводородных газов, при его использовании достаточно соблюдать требования, изложенные в «Правилах техники безопасности в газовом хозяйстве», утвержденных Ростехнадзором РФ.
Таблица 3.3
Техническая характеристика АСКТ по ТУ 39-1547-91
Показатель
Норма
Массовое содержание пропана, %, не более
Давление насыщенных паров при 450С, МПа (кг/см
2
), не более
Плотность в жидком состоянии при 20
о
С, кг/м
3
, не менее
Теплота сгорания низшая, кДж/кг (ккал/кг), не менее
Массовая доля сернистых соединений в пересчете на серу,
% (мас.), не более
Содержание свободной воды и щелочи
Содержание механических примесей
Внешний вид
7,2 0,50 (5,0)
585 45200(10800)
0,002
Отсутствие
Отсутствие
Прозрачный, бесцветный
В качестве авиационных криогенных топлив рассматриваются жидкий водород (КВТ), жидкий метан (КМТ) и жидкие углеводороды С
3
-С
5
(АСКТ-К).
Каждое из этих топлив обладает своими достоинствами и недостатками, которые в значительной мере предопределяют область наиболее эффективного и рационального их применения как на сверхзвуковых ЛА со скоростями полета вплоть до гиперзвуковых, так и на дозвуковых воздушных судах (ВС).
На сегодня уже имеется определенный научный технический задел по созданию ЛА на криогенных топливах (на водороде и метане). Наиболее успешными оказались практические действия в этом направлении АНТК им.
А.Н. Туполева и Самарского НТК им. Н.Д. Кузнецова.
Первый в мире полет самолета, использующего в качестве топлива жидкий водород, - самолет Ту-155 с двигателем НК-88 В, оборудованный бортовой криогенной топливной системой, был осуществлен в апреле 1988 г. Через год на этом самолете был совершен полет на сжиженном природном газе (практически на метане). Несколько полетов этого самолета в европейские страны на авиационные выставки
подтвердили реальность технических решений, обеспечивающих перспективу широкого развития криогенной авиации.
Сравнительная характеристика криогенных топлив представлена в табл. 3.4.
Анализ показывает, что на современном уровне развития авиационной техники, а также наземной инфраструктуры технологически и экономически перспективным направлением следует считать использование криогенных топлив (АСКТ-К), получаемых на базе легких парафиновых углеводородов с низкой температурой кристаллизации (от пропана до гексана).
АСКТ-К представляет собой легкокипящую пожаровзрывоопасную жидкость. С воздухом пары АСКТ-К образуют пожароопасные смеси в пределах
1,5...9,5%(об.). Это топливо по сравнению с авиакеросином менее склонно к самовоспламенению. Температура самовоспламенения АСКТ-К в зависимости от состава может находиться в пределах 350...470°С (у авиакеросинов t cи
=
210...220°С).
Таблица3.4 Примерная сравнительная технико-экономическая характеристика криогенных топлив Топливо
Нормальное
Криогенное
АСКТ
(С
3
-С
6
)
АСКТ-К
(С
3
– С
5
)
КМТ
(СН
4
)
КВТ
(Н
2
)
Рабочая температура,
0
С
+45…-90
(при p= 0,5
МПа)
-40…-180
-160-180
-253-
259
Диапазон жидкого состояния,
T,
0
С
135 140 20 6
Относительная цена тепловой единицы
0,5…0,6 0,6…0,8 1,2…1,6 10…15
Относительные затраты на сооружение аэропорта
1,3 2
6
>100
По сравнению с авиакеросинами компоненты АСКТ-К обладают более высокой термостабильностью. Они менее агрессивны по сравнению с авиакеросинами по отношению к конструкционным, резинотехническим и уплотнительным материалам.
Накопленный опыт эксплуатации ЛА на АСКТ-К позволит быстрее и с меньшими расходами перейти к эксплуатации ЛА на КМТ и затем на КВТ.
Биотопливо В настоящее время страны Евросоюза проводят интенсивную работу по использованию возобновляемых источников энергии и, в частности, биотоплива для автомобильного и авиационного транспорта.
Под биотопливом понимается твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы растений химическим или биологическим способом.
Основу твердого топлива составляют дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга.
К жидкому биотопливу относят биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир, биодизель.
Газообразными
биотопливами являются биогаз, биоводород, метан.
Различают три поколения биотоплив (рис. 3.5).
Биотопливо первого поколения изготовляют из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии.
Основными источниками сырья являются семена или зерна. Например, семена подсолнуха прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол.
Однако такие источники сырья занимают место в пищевой цепочке людей и животных.
Растительные масла – это жидкие жиры растительного происхождения.
Другое название жиров – триглицериды. Триглицерид представляет собой остов глицерина, к которому прикреплены радикалы жирных кислот.
Рис. 3.5. Три поколения биотоплив
Растительные масла имеют слишком большую вязкость, которая препятствует их прямому использованию в качестве дизельного топлива.
Вязкость и плотность им придает остов глицерина в составе молекул триглицеридов. Если в молекуле триглицерида остов глицерина заместить на более легкий остов этанола или метанола, то будет получен менее вязкий и менее плотный эфир, соответственно этиловый или метиловый. Полученные продукты вполне пригодны для прямого использования в качестве топлива для дизельных автомобилей (биодизеля).
Реакцию обмена глицерина в составе жиров на остовы метила или этила называют переэтерификацией (или трансэтерификацией). В случае реакции с метиловым спиртом уравнение химической реакции будет выглядеть следующим образом
То есть сложный эфир глицерина (триглицерид) + метанол = сложные эфиры метанола + глицерин.
Реакция переэтерификации идет очень медленно и протекает лишь в присутствии катализатора. В промышленных масштабах в качестве катализатора используются гидроксиды щелочных металлов (NaOH, KOH). Образование эфира как при реакции этерификации, так и при реакции переэтерификации никогда не идет до конца. Глубина переэтерификации при благоприятных условиях достигает
95-96%. Реакция переэтерификации с применением спиртов называется алкоголизом. С увеличением молекулярной массы спирта алкоголиз замедляется.
Величина в 95-96% выхода эфира относится к случаю использования метилового спирта. При использовании этилового спирта глубина алкоголиза соответствует примерно 35%. В этой связи, не смотря на то, что этиловый спирт гораздо более экологичен, чем метиловый, именно метиловый спирт находит большее применение. И зарубежные стандарты на биодизель распространяются именно на метиловые эфиры.
Таким образом, в настоящее время для производства биодизеля используются следующие компоненты: растительные масла; метанол; щелочи
(NaOH, KOH).
Биотопливо второго поколения способно увеличить количество выпускаемого экологически устойчивого биотоплива, используя биомассу, состоящую из остаточных непищевых частей растений, таких как стебли, листья, шелуха, оставляемых после извлечения пищевой части. Также годятся
непищевые растения (просо, ятрофа) и производственный мусор: древесная стружка, кожура и мякоть от прессовки фруктов и т.п.
Биотопливо третьего поколения изготовляется из водорослей. Водоросли
- дешевое и высокопродуктивное сырье для получения биотоплива. Тем не менее, водорослевое топливо имеет и свои трудности при производстве: необходима большая площадь для выращивания водорослей.
Переработка биомассы водорослей путем биокаталитического крекинга позволяет получать синтетические нефтепродукты очень высокого качества. В результате быстрого биокаткрекинга биомассы водорослей без доступа кислорода образуются твердые, жидкие и газообразные горючие продукты (табл.
3.5).
Таблица 3.5
Выход топлива при биокаталитическом крекинге
Жидкая фаза, % масс.
Газообразная фаза, % масс.
Кокс, % масс.
80-85 12-17 3-5
Углеводороды жидкой фазы представляют собой набор углеводородов, содержащихся в бензиновой, керосиновой, дизельной фракциях нефти (табл.
3.6).
Таблица3.6
Полученные продукты жидкой фазы синтеза нефти
Бензиновая фракция, % масс.(от жидкой фазы)
Керосиновая фракция,
% масс. (от жидкой фазы)
Дизельная фракция, % масс. (от жидкой фазы)
7-10 10-15 75-83
По своим свойствам углеводороды жидкой фазы полностью соответствуют углеводородам аналогичных фракций нефти.
Преимущества и недостатки биотоплива
Преимущества:
1. Использование возобновляемых сырьевых источников.
2. Эфиры растительных масел подвергаются практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% эфиров растительных масел.
3. Низкая стоимость производства вследствие относительно простой технологии и низких энергозатрат.
4. Побочный продукт производства эфиров растительных масел – глицерин, востребован во многих отраслях народного хозяйства.
Недостатки:
1. Высокая адгезия (прилипаемость к стенкам трубопроводов и резервуаров), высокая гигроскопичность.
2. При использовании биодизеля мощность дизельного двигателя снижается на 5-8%.
3. Повышенная вязкость и высокая температура застывания эфиров растительных масел. Ухудшение запуска двигателей при температуре ниже -
15 0
С.
4. Низкая термостабильность и высокая склонность эфиров растительных масел к разложению: биодизель не рекомендуется хранить более трех месяцев.
Катализатором процесса разложения эфиров растительных масел является наличие в топливе кислорода, воды, примесей, повышенная температура.
Продуктами разложения являются органические кислоты.
5. Метиловые эфиры жирных кислот – химически активные
(агрессивные) жидкости. Они
вызывают высыхание, затвердение и разрушение резинотехнических изделий, коррозию агрегатов и трубопроводов топливной системы.
6. Повышенное количество углеродистых отложений метилового эфира на поверхности камеры сгорания и закоксовывание сопловых отверстий распылителей форсунок через 100-200 часов работы.
Попадание следов биодизеля в авиационный керосин приводит к снижению его термостабильности и в ряде случаев к отказу системы регулирования.
Эксплуатационные свойства присадок к топливам Присадки – вещества, добавляемые в незначительных количествах к топливам для улучшения их эксплуатационных свойств.
Присадки к топливам по своему назначению подразделяются на антиоксиданты, противоводокристаллизационные, антистатические, ингибиторы коррозии, улучшающие противоизносные свойства топлив, деактиваторы металлов, биоцидные и др. Известны также многофункциональные присадки, обладающие одновременно, например, противокоррозионными, антиокислительными и противоизносными свойствами.
Сочетания положительных свойств обычно достигают разработкой композиции присадок- синергистов, воздействующих одно на другое в направлении усиления эффективности каждой отдельной присадки.
Антиокислительные присадки при хранении и транспортировании топлив снижают интенсивность окислительных процессов. В результате уменьшается образование уплотненных продуктов окислительной полимеризации и интенсивность воздействия продуктов окисления на полисульфидные герметики и уплотнительные материалы на основе нитрильных резин.
Ингибитор окисления
Агидол добавляется в гидроочищенные топлива, поскольку при гидрогенизационной обработке из таких топлив удаляются природные ингибиторы окисления - гетероатомные соединения. Механизм действия антиокислителей заключается во взаимодействии их с активными
радикалами, дающими начало окислительным цепным процессам и с гидропероксидами. Присутствие в топливах антиокислителя снижает образование смол и кислот при температурах до 150°С. Расход многих антиокислительных присадок резко возрастает в присутствии катализаторов окисления - главным образом меди и ее сплавов.
Деактиваторы металлов. Катализ окисления углеводородных топлив ионами металлов заключается в генерировании радикалов, обусловливающих развитие окислительных цепей и требующих дополнительного расхода деактиватора на вывод из сферы реакции вновь образующихся пероксидных радикалов. Восстановление металла протекает только с участием антиокислителей, которые в некоторые топлива вводят специально; в прямогонных топливах ими
являются фенолы и серосодержащие соединения, присутствующие в них. К деактиваторам металлов относятся салицилидены, аминофенолы и др.
Противоизносные присадки. Действие противоизносных присадок основано на формировании в условиях высоких контактных температур и нагрузок на трущихся поверхностях хемосорбционного слоя, обладающего хорошими фрикционными качествами.
Разработана и испытана отечественная присадка «К». По результатам испытаний она рекомендована к применению. За рубежом в качестве противоизносной присадки применяется ингибитор коррозии Сантален С (всего же таких присадок более десятка).
Скачать 1.25 Mb.