книги / Метанол как топливо для транспортных двигателей

характеризуется низкой плотностью энергии, вследствие чего может быть использован только в сжатом до 20...40 МПа или в сжиженном виде. Жидкий метан представляет собой криогенную жидкость с тем­ пературой кипения П З К. В условиях крупнотоннажного производства себестоимость сжиженного и сжатого природного газа одинакова.

Удельные приведенные затраты на производство и применение газовых

топлив по сравнению с бензином, полученным путем глубокой перера­

ботки нефти (100 Й), оцениваются следующим образом: пропан-бута- новая смесь - 77; сжатый природный газ - 80; сжиженный природный

газ - 81 [б ].

Современные отечественные автомобили универсальной конструк­ ции кроме бензиновой могут быть дооборудованы газовой топливной

системой, однако в этом случае мощность двигателя снижается на 20 %, ухудшаются тягово-динамические и эксплуатационные характе­

ристики автомобиля. Существенно повысить эффективность использо­ вания газа можно путем увеличения степени сжатия двигателя и При­

ранне газового топлива в двигателе существенно снижает токсич­

ность отработавших газов. Основным недостатком автомобилей, ра­ ботающих на природном газе, является большая масса системы его хранения, что снижает грузоподъемность на 14. ..16%и вдвое

уменьшает пробег после одной заправки.

Значительное количество горючих газов содержат промышлен­ ные газовые выбросы, в частности химических и металлургических

производств. Номенклатура и характеристики их приведены в табл. 1.7 [15 ] . Средний выход полукЪксового газа на I т сухой шихты составляет 55...80, коксового - 300...330 м3 . При коксовании 100 млн т каменного угля в год ресурсы коксового газа могут сос­ тавить примерно 30 млрд м3 .

Сланцевый газ получают при термической переработке горючих

Доменный газ образуется при продувке воздуха через слой кокса. Теплота сгорания - 3,35...4,19 ВДж/м3 . При выплавке 100 млн т чугуна в год выход доменного газа составляет примерно

200 млрд м 3 .

СССР располагает значительными ресурсами биомассы и органи­ ки, пригодных для получения синтетических топлив. Постановлением Совета Министров СССР 1986 г. предусмотрено сэкономить в 1990 г.

не менее 2,9 млн т условного топлива за счет рационального исполь­ зования биогаза [ 7 }. Биогаз представляет собой продукты брожения

органических веществ и на 70%состоит из таких горючих компонен­

тов, как метан, этан и бутан. Низшая теплота его сгорания превы­

шает 25 Щк/м 3 .

Перспективность применения водорода для ДВС определяется

преаде всего экологической чистотой, неограниченностью и возоб­ новляемостью сырьевой базы, его хорошими моторными свойствами:

широкие концентрационные пределы воспламенения; малая энергия воспламенения; высокая массовая энергоплотность; низкая токсич­

ность отработавших газов; хорошее перемешивание с воздухом. Широ­ кие концентрационные пределы воспламенения обеспечивают работу водородного двигателя в диапазоне изменения составов смесиоС от

0,5 до 5,0 и позволяют эф|«ктивнее регулировать его мощность, что уменьшает насосные потери на частичных нагрузках и увеличивает з*{у^ктивный КОД двигателя на 25.. .50%[29 ] В отработавших га­

зах (OF) водородного-двигателя практически единственными токсич12

быть вдвое выше, чем в ОГ бензинового двигателя. Однако с обедне­ нием водородо -воздушной смеси выбросы оксидов азота резко умень­ шаются и при oL = 1 ,8...2,0 практически отсутствуют [7; 29]

К недостаткам водорода следует отнести возможность обратных вспышек во впускном трубопроводе при контакте свежей водородо­ воздушной смеси с остаточными газами, а также жесткое сгорание. Широкие пределы воспламенения водородо-воздушных смесей определя­

бесцветный газ с резким и характерным запахом. В жидкое состояние переходит под давлением 0,6,».0,7 МПа при температуре окружающей среды. Аммиак обладает умеренными энергетическими показателями:

и сгорания аммиака требуются впрыск запального топлива и добавки

при 219 ,К f37 ) . Следствием добавки антифризов является уменьше­

ние энергоемкости смеси.

Азотоводородные соединения получают из природного газа, что

заведомо делает энергетически нецелесообразным их прямое сжигание в двигателях. Кроме того, препятствием к использованию азотоводо­

разованием по механизму окисления топливного азота [32 ] Опреде­

ленный интерес азотоводородные соединейил представляют как жидкие носители водорода.

Можно отметить, что по большинству показателей газохол бли­ зок к товарным бензинам. Дня предотвращения расслаивания смеси в

топлив от общего потребления к 1990 г. составит 40...50%в Бра­

рой этанол получают с помощью высокоэффективных биотехнологий. Сложные эфиры рассматриваются в первую очередь как высоко­

октановые добавки к бензинам. Наиболее исследован метилтретбутиловый эфир (МТБЭ), который представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом и характеризуется следующими основными показате­

лями: плотность 740 кг/м3 ; температура кипения 320...330 К; тем­

пература вспышки 300 К; температура самовоспламенения 716 К; давление насыщенных паров 32,2 КПа; октановое число (моторный метод) 100; энергоемкость 35,2 Щ&/кг; стехиометрическое соотно­

шение воздух - топливо при сгорании 11,7. МТБЭ полностью смешива­ ется с бензинами и образует стабильную смесь, пригодную к эксплу­ атации в различных климатических зонах СССР. Для замены ТЭС в бензинах А-76 и АИ-93 необходимо 8 и 11%по массе тГБЭ соответ­

ственно [30 ] . Испытания опытньк образцов бензинов с добавками

МТБЭ по комплексу методов квалификационной оценки показали, что

они полностью удовлетворяют требованиям ГОСТ 2084-77. Разработан­ ные в СССР автомобильные бензины с добавками МТВЭ прошли широкие

статком МТБЭ как альтернативной высокооктановой добавки к топли­

ву является то, что для его производства (кроме метанола) исполь­ зуется бутилен - дефицитный продукт переработки нефти*

1.2. Метанол как основной заменитель нефтяных топлив и его применение в ДВС

Из рассмотренных выше альтернативных топлив наибольший ин­ терес в качестве массового перспективного топлива представляют

гут быть природный газ, уголь, сланцы, природные карбонаты, раз­ личные отходы и др. Кроме того, немаловажное значение имеют отла­

женная технология производства и приемлемые технико-экономические показатели. В настоящее время метанол получают в основном из при­

его распределения и хранения на борту автомобиля более проста.

Кроме того, метанол обладает большей энергоплотностью по сравне­ нию с природным газом. Себестоимость его производства из природ­ ного газа составляет примерно70...80 р./т, однако по мере рас­

ширения сырьевой базы она будет снижаться.

16

По сравнению с нефтяными топливами у метанола большая скры­ тая теплота парообразования, меньшая теплота сгорания, высокие

антидетонационные свойства, шире пределы воспламенения, лучшие

энергетические показатели. Некоторые параметры, определяющие мо­ торные свойства метанола и бензина, представлены в табл. 1.8.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

I кг метанола в два раза! меньше, чем для бензина. Это объясняется наличием связанного кислорода в молекуле метанола, что способст­

вует снижению теплоты сгорания* Для стехиометрического сгорания в двигатель должно быть подано примернодвоЙное м а ссовое кблйчест-

во метанола, в связи с чем йеобходимо произвести определенные из­ менения в системе питания (увеличить проходные сечения топливных

жиклеров и производительность толливоподкачивающего насоса). Для обеспечения достаточного запаса хода объем топливного бака должен быть увеличен примерно вдвое, что рассматривается как один из не­ достатков метанола.

В то же время теплота сгорания топливовоздушных смесей ме­ танола и бензина практически одинакова, благодаря чему при пере-

парении метанола во впускной системе происходит значительное по­

нижение температуры, что повышает плотность заряда цилиндра и приводит к увеличению мощности и элективного КПД двигателя.

В связи с низким давлением насыщенных паров метанола возни­

кают трудности при холодном запуске и прогреве двигателя. Высокая теплота парообразования метанола снижает температуру топливовоз­ душной смеси во впускном патрубке при испарении более чем на

Более широкие пределы воспламенения метаноловоздушных сме­

сей позволяют обеспечить работу двигателя при бедных составах смесей, в связи с чем улучшается индикаторный КПД, снижается рас­ ход топлива на частичных нагрузках, облегчается регулировка дви­ гателя по составу смеси в условиях’эксплуатации и снижается ток­ сичность отработавших газов. К важным преимуществам метанола сле­ дует отнести и его высокую антидетонационную стойкость, что дает

возможность повысить степень сжатия до Ï2...14 ед. Высокие антидетонационные свойства метанола позволяют рассматривать его и в качестве высокооктановой добавки к нефтяным бензинам, что дает

возможность исключить использование высокотоксичных свинцовых ан­

тидетонаторов.

Поскольку метанол является жидким гидридом и содержит Î2,5 %водорода по массе, он может быть использован на борту ав­

томобиля для хранения водорода с последующей конверсией в водо­

родсодержащее газовое топливо. Кроме того, из метанола можно по­ лучать синтетический бензин.

1.3. Технологии получения топливного метанола

Практически все известные способы получения метанола осно­ ваны на взаимодействии оксидов углерода-и водорода при повышенных

температурах и давлениях в присутствии катализатора. Б промышлен­ ности производство метанола имеет много общего с производством аммиака, ацетилена, высших спиртов, углеводородов и др. В общем случае технологический процесс включает в себя получение исходно­ го газа и последующий синтез из него метанола кате химического

18

продукта с высокой*степенью чистоты.

Для применения метанола в качестве топлива высокая степень очистки необязательна, а такие примеси, как углеводороды, высшие спирты, диметиловый эфир, только улучшают его энергетические пока­ затели. В качестве топлива можно с успехом использовать и метанол-

Подавить образование побочных продуктов можно, подобрав высокоэф­ фективные и селективные катализаторы, но полностью устранить эти реакции, особенно (1.5) невозможно. Происходит эауглераживание ка­ тализаторов, что вызывает необходимость периодической их регенера­

ции или замены. Применение метанола в качестве топлива связано с

риментально установлено, что исходный газ для синтеза метанола должен содержать компоненты в соотношении, близком к стехиометри­ ческому. Он может быть получен из любого вида сырья, содержащего углеводород или углерод, однако для обеспечения стехиометрии в

большинстве'случаев состав газа надо корректировать.

Основным сырьем для получения исходного газа является при­ родный. В процессе подготовки его для синтеза метанола применяют

Паровая конверсия природного газа в трубчатых печах при ат­ мосферном давлении обычно проводится путем дозирования диоксида