Привет студент

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

Биотоплива. 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 NO_х, на 10—15 % выбросы СО и С_mН_n 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.

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.

Вода. Использование воды при формировании топливовоздушной смеси в ДВС применялось еще на заре двигателестрое-ния 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).