29 марта 2017, 0:46

Читайте нас в
социальный сетях:

Ложка дегтя: ученые утверждают, что метан проигрывает бензину как вид топлива

Было бы не правильным публиковать исключительно материалы, поддерживающие альтернативные виды топлива. Мы за объективность, и сегодня без купюр публикуем статью докторов технических наук утврждающих: метан сегодня как топливо проигрывает бензину по всем пунктам.

 

Не использованные по прямому назначению природные ресурсы и продукты их переработки рано или поздно попадают в окружающую среду и становятся отходами и загрязнителями. 

 Очевидно, что экономное и рациональное расходование ресурсов приводит к улучшению экологической обстановки и наоборот. Все сказанное в полной мере относится и к углеводородным топливам, включая газообразное горючее. 
Газообразное горючее используется с середины XIX века, но в качестве топлива для автомобильных двигателей – лишь после разработки устройств, позволяющих реализовать процессы топливоподготовки и сжигания. Развитие технологий применения газообразного топлива приходилось на периоды острой нехватки жидких нефтяных горючих, например в условиях энергетического кризиса 1930-х годов и во время Второй мировой войны. 
Так, Великобритания практически не имеет природных нефтяных источников, именно поэтому во время Второй мировой войны при дефиците бензинов почти весь ее транспорт был переведен на природный газ, запасов которого в стране достаточно много. Правда, по окончании войны от массового его использования в Британии отказались. Это было вызвано высокими затратами на эксплуатацию и ремонт газового автомобильного оборудования, неудобством транспортировки и рядом других эксплуатационных особенностей. 

Об экологической безопасности

Каждый продукт общественного труда, в том числе и топливо, должен быть экологически безопасен. Применительно к газовому топливу экологическую чистоту следует рассматривать как комплексное свойство, проявляющееся на всех этапах его жизненного цикла: при приеме, хранении, транспортировке, перекачке и непосредственно в процессе использования, т. е. сжигания. 
Под экологической безопасностью газообразного горючего следует понимать такое его состояние, при котором на всех этапах оно не оказывает (или оказывает минимальное) негативное воздействие на окружающую природную среду и не создает угрозы существованию людей, фауне и флоре. 
Сложным и комплексным данное свойство газовых топлив является потому, что на некоторых этапах его жизненного цикла – например, при приеме, хранении, транспортировке и перекачке – газообразное горючее выбрасывает в окружающую среду загрязнители (пары и легкие углеводородные соединения, жидкие углеводороды и др.). На этапе непосредственного использования по прямому назначению, то есть при сжигании, топливо является источником многих других загрязнителей (газообразных продуктов сгорания). В связи с этим экологическую безопасность газообразного топлива следует условно рассматривать как две взаимосвязанные составляющие: до и после сжигания, при этом последняя составляющая является доминирующей, поскольку именно в продуктах сгорания содержатся наиболее опасные для окружающей среды вещества. 
К сожалению, сегодня отсутствуют научно обоснованные критерии оценки экологической безопасности углеводородных топлив. В связи с этим невозможно в полной мере оценить их экологическую чистоту, в том числе по содержанию примесей и минеральных включений, отраженных в действующих нормативных документах. 
Однако для первичной оценки экологической чистоты газообразного топлива можно использовать численные значения показателей химических элементов, содержащихся в его горючей части. Например, большее содержание водорода и присутствие в составе горючей части топлива связанного кислорода указывают, что это горючее более экологически чище. 
Объективная и окончательная оценка безопасности того или иного вида топлива может быть проведена только по результатам качественного и количественного анализов дымовых (выхлопных) газов в процессе его сжигания, а также анализа зольной части горючего после сжигания. 
По своей значимости доминирующими, безусловно, являются результаты анализов газообразных продуктов сгорания в дымовых (выхлопных) уходящих газах, образующихся при сжигании топлива, поскольку именно они определяют реальную экологическую опасность или чистоту топлива. Именно химические соединения и вещества продуктов сгорания оказывают наибольшее негативное воздействие на окружающую среду и поражают значительные территории. 
Критерий «экологическая безопасность топлива» должен представлять собой аддитивную свертку наиболее экологически опасных компонентов уходящих дымовых (выхлопных) газов, таких, как CO, CO2, H2S, NуOx, CH2SH, N2, S2, SxOy, CxHy, С и других. 
Количественное ранжирование вредных компонентов в продуктах сгорания того или иного топлива должно отражаться численным значением коэффициента значимости, соответствующего доле каждого компонента в составе дымовых газов. Предлагаемый критерий является объективным, поскольку качество протекания цепной реакции горения количественно отражается через механизм формирования вредных выбросов. Численное значение показателя экологической чистоты топлива должно находиться в пределах от 0 до 1, при этом топливо является более экологически безопасным при показателе, близком к нулю, а экологически опасным, соответственно, к единице. 

Автомобильные топлива, их сходство и различия

Сегодня основным горючим для автомобильного транспорта являются различные бензины и дизельные топлива, однако с ростом автомобильного парка их количества уже явно не хватает, поэтому в качестве альтернативы используются также спирты (в южных странах), пропан и природный газ. 
Все применяемые автомобильные горючие сходны между собой. Во-первых, они представляют собой углеводородные соединения, основу которых составляют одинаковые химические элементы – углерод и водород. Во-вторых, обладают теплотой сгорания (калорийностью). В-третьих, имеют общую основу химического состава. В-четвертых, они физически и химически стабильны. В-пятых – токсичны и взрывопожароопасны. И наконец, они прокачиваются по трубопроводам и распыляются в зону горения. 
К свойствам современных автомобильных топлив следует отнести их агрегатное состояние (жидкие и газообразные), разную теплоту сгорания, экологическую чистоту, различные единицы измерения расхода, а также определенные, зависящие от внешних условий (например, от температуры наружного воздуха) диапазоны использования. Кроме того, газообразные горючие имеют высокий коэффициент использования, который у природного газа составляет около 99,7 процента. 
Любое топливо, как известно, сгорает только в парообразной или газообразной фазе, поэтому жидкие виды топлива, в отличие от газообразного горючего, требуют более длительного и сложного цикла подготовки и распыливания в зону горения. Одним из основных отличий является и то, что жидкие топлива и пропан – это конечные продукты нефтепереработки, а природный газ – добытое из недр Земли полезное ископаемое, представляющее собой сырец, прошедший первичную обработку (очистку, обезвоживание и т. п.). 

Природный газ как автомобильное топливо

Сегодня в качестве топлива для автомобилей наряду с бензином, дизельным топливом и пропаном предлагается использовать сжатый или компримированный природный газ (КПГ). 
Состав добываемых на российских месторождениях природных газов почти одинаков и содержит в основном (82-98 процента) метан с небольшими примесями: до 6 процентов этана, до 1,5 процента пропана и до 1 процента бутана. Метан имеет наивысшую критическую температуру ( –82 °С), поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении не может быть сжижен: для этого необходима низкая температура. 
Свойства метана определяются особенностями его молекулярного строения. Этот газ относится к простейшим углеводородам. Молекула метана содержит один атом углерода и четыре молекулы водорода. Высокая теплопроводность, широкий диапазон воспламеняемости и низкое содержание токсичных компонентов обусловлены молекулярной структурой метана. Более полное сгорание сжатого газа в цилиндрах двигателя по сравнению с бензинами и дизельным топливом обусловлено высоким содержанием в нем водорода. При атмосферном давлении метан в 0,554 раза легче воздуха, поэтому в случае утечки он быстро улетучивается или скапливается в верхней части какого-либо объема. Кроме того, метан обладает высокой детонационной стойкостью, что допускает форсирование двигателя по степени сжатия (9,5-10,5). 

По энергетической емкости 1 м3 природного газа, как правило, приравнивается к 1 л бензина. В то же время при атмосферном давлении природный газ обладает очень низкой объемной концентрацией тепловой энергии, которая более чем в тысячу раз меньше аналогичного показателя любого жидкого топлива. В связи с этим для повышения концентрации тепловой энергии природный газ на автомобильных газонаполнительных станциях (АГНС) переводят в жидкое состояние посредством сжатия до высокого давления. 
Например, в России давление сжатия природного газа составляет 200 кг/см2 (20 мПа). Для хранения сжатого газомоторного топлива применяются газобаллонные установки (баллоны, арматура, редуктор, газопроводы и др.), рассчитанные на работу при высоком давлении. По мере расходования газа из баллона рабочее давление в его внутренней полости непрерывно уменьшается. 
Баллоны для КПГ имеют вместимость 34-400 литров и также рассчитаны на давление 200 кг/см2 (20 мПа). В связи с высоким давлением газа баллоны имеют толстые стенки, что значительно увеличивает их вес, а, следовательно, снижает полезную нагрузку автомобиля и уменьшает пробег на КПГ в два раза по сравнению с работой автомобиля на бензине. 
Очевидно, что применяемые в настоящее время технологии подготовки и организация процесса сжигания газообразного топлива, а также особенности КПГ ограничивают широкое использование газобаллонных автомобилей и приводят к снижению их эффективности на внутригородских и на междугородних перевозках. Именно поэтому компримированный природный газ не может сегодня в полной мере заменить традиционные автомобильные топлива. 

Экологические аспекты применения КПГ

Существует устойчивое мнение, что природный газ – это самое экологически чистое топливо. Такое заключение основывается, по-видимому, лишь на отсутствии черного дыма из трубы при сжигании природного газа. Действительно, метан, входящий в состав природного газа, является экологически безопасным топливом, но он не единственный компонент в компримированном природном газе. 
Для специалистов же отсутствие черного дыма говорит только о малом содержании в продуктах сгорания природного газа углерода, но никак не об отсутствии других, не менее экологически опасных загрязнителей атмосферы. 
Объем атмосферного воздуха, необходимого для сжигания 1 кубометра природного газа, как следует из формулы Д. И. Менделеева, составляет около 9,5-10 м3. Такое соотношение природного газа и атмосферного воздуха при самовсасывании атмосферного воздуха в воздушный коллектор двигателя принято называть теоретическим избытком воздуха (=1). 
Основным химическим элементом воздуха, как известно, является азот, составляющий ~78,1 процента и условно называемый «воздушным». В то же время азот присутствует и в природном газе, он условно называется «топливным». В зависимости от месторождения объемная доля «топливного» азота в природном газе варьируется от 0,4 процента до 1,7 процента. В реальных условиях для сжигания 1 м3 природного газа коэффициент избытка воздуха, как правило, завышается и составляет 1,2. Это значит, что в зону горения поступает около 93,7 процента «воздушного» азота и 0,96-4,08 процента «топливного» азота. Суммарное же количество выхода азота в свободном виде и в составе оксидов при сжигании природного газа, согласно закону сохранения вещества в природе, составляет не менее 94,7-97,7 процента. 

Следует напомнить, что при турбонаддуве атмосферного воздуха в воздушный коллектор двигателя значительно завышается коэффициент избытка воздуха, при этом быстро увеличивается количество «воздушного» азота, вносимого в зону горения, и наблюдается резкий рост выброса высокотемпературного свободного азота, который в атмосфере активно взаимодействует с кислородом воздуха, образуя оксиды азота. 
Расчеты показывают, что теплота сгорания 1 литра сжатого (сжиженного) природного газа ниже теплоты сгорания 1 литра бензина примерно в 2,4 раза. Следовательно, для получения тепла, выделяемого при сжигании 1 литра бензина, необходимо сжечь не менее 2,4 литра природного газа в 27,4-28,8 кубометра атмосферного воздуха. 
Увеличение расхода сжигаемого топлива и завышение количества воздуха, поступающих в зону горения, неизменно приводит к росту, как минимум в 2,4 раза, выброса в атмосферу свободного азота и его оксидов, что делает природный газ по сравнению с бензинами более экологически опасным топливом. Кроме свободного азота и оксидов азота, выхлопные газы двигателей, работающих на компримированном природном газе, содержат сероводород (HS), меркаптановую серу (CH3SH) и механические примеси. 

Экономические аспекты применения КПГ

К экономическим аспектам использования компримированного (сжатого) природного газа следует отнести затраты на приобретение топлива, эксплуатацию и техническое обслуживание автомобилей, работающих на природном газе. 
Средняя розничная цена 1 литра КПГ в России в марте 2014 года составляла около 10 рублей. На первый взгляд дешево, однако элементарные расчеты показывают, что это не совсем так. 
Как указывалось ранее, для получения тепла, выделяемого при сжигании 1 литра бензина, необходимо сжечь не менее 2,4 литра природного газа, стоимость которого составляет 24 рубля, что соизмеримо со средней розничной ценой 1 литра бензина А-80 (26,8 рубля/литр в марте) на АЗС в Московской области. То есть использование природного газа в автомобильных двигателях не дает значительной экономии по стоимости топлива. 
В ближайшее время планируется довести розничную цену 1 литра сжатого природного газа до 50 процентов от розничной цены дизельного топлива (33 рубля/литр), то есть до 16,5 рубля/литр КПГ, что с экономической точки зрения сделает использование сжатого природного газа в автомобилях нерентабельным. 
Говоря об экономических аспектах применения КПГ, нельзя обойти стороной вопрос эксплуатационной составляющей использования газомоторного топлива в автомобильных двигателях. 
К положительным факторам применения КПГ для автомобилей следует отнести: 

1) повышение срока службы моторного масла в полтора-два раза из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения, в результате чего расход масла уменьшается на 30-40 процентов по сравнению с бензиновыми двигателями; 
2) увеличение в среднем на 35-40 процентов моторесурса двигателя вследствие минимального количества нагара на деталях цилиндров и поверхности поршней в них; 
3) увеличение на 40 процентов срока службы свечей зажигания; 
4) увеличение в полтора раза межремонтного пробега автомобиля; 
5) значительное снижение (до 90 процентов) выброса с отработавшими газами вредного соединения – оксида углерода (СО). 

Необходимо отметить и недостатки: 

1) КПГ воспламеняется при температуре 635-645 ºС в камере сгорания двигателя, что в три раза выше температуры воспламенения бензина, это затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных температурах (ниже –5 °С) окружающего воздуха. Поэтому автомобили, работающие на природном газе, должны дополнительно оснащаться резервной системой питания бензином, чтобы двигатели газобаллонных автомобилей могли надежно и быстро запускаться при низких температурах наружного воздуха, что также требует дополнительных затрат; 
2) трудоемкость технических осмотров и технических ремонтов увеличивается на 7-8 процентов, а цена автомобиля возрастает в среднем на 27 процентов из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры; 
3) мощность двигателя снижается на 18-20 процентов. Ухудшаются тягово-динамические и эксплуатационные характеристики автомобилей: время разгона увеличивается на 24-30 процентов; максимальная скорость снижается на 5-6 процентов; предельные углы преодолеваемых подъемов уменьшаются на 30-40 процентов; эксплуатация автомобиля с прицепом затрудняется; дальность поездки на одной заправке уменьшается и не превышает 200-250 километров; 
4) грузоподъемность автомобиля снижается на 9-14 процентов в связи с применением толстостенных стальных баллонов высокого давления (их количество и вес могут быть разными); 
5) коэффициент использования пробега газобаллонных автомобилей снижается на 8-13 процентов по сравнению с бензиновыми автомобилями; 
6) годовая производительность при работе на городских перевозках уменьшается на 14-16 процентов по сравнению с бензиновыми автомобилями; 
7) невозможно использовать КПГ при температурах атмосферного воздуха ниже –25 ºС; 
8) природный газ по критерию взрывопожароопасности значительно превосходит все жидкие углеводородные горючие; 
9) сжигание КПГ является одной из причин образования в атмосфере азеотропных смесей (так называемых кислотных дождей), которые, выпадая, вызывают повышенную эрозию и коррозию материалов различных сооружений и уничтожают хвойные деревья; 
10) инфраструктура газомоторного топлива в Российской Федерации развита слабо. 

Как повысить эффективность сжигания

По мнению авторов, повысить эколого-экономическую эффективность сжигания любого топлива в автомобильных двигателях позволит практическая реализация следующих мероприятий: 
• внедрение новых технологических процессов в цикл топливоподготовки; 
• гомогенизация, насыщение кислородом (аэрация) или водой (увлажнение) топлива перед его подачей в зону горения; 
• повышение качества приготавливаемой горючей смеси, подаваемой на горение; 
• замена раздельной схемы смешения топлива и воздуха на совместную схему; 
• замена приготавливаемой сегодня топливо-воздушной горючей смеси на воздушно-топливную горючую смесь; 
• сжигание топлива с минимально возможными коэффициентами избытка воздуха; 
• интенсификация и активизация процесса горения; 
• изменение способа регулирования мощности и нагрузки автомобильных двигателей. 

Компримированный (сжатый) природный газ – это самый доступный и распространенный вид топлива для массового применения, в связи с чем в XXI веке вопрос повышения эколого-экономической эффективности его использования приобретает особую актуальность. Повысить эффективность использования газообразного природного горючего в автомобильных двигателях можно уже сегодня, например, за счет внедрения струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси с одновременной обработкой природного газа. Данный способ проверен авторами на жидких видах углеводородного топлива и сырой нефти в лабораторных и промышленных условиях и показал свою высокую эффективность. 
В качестве первичной (рабочей) среды при струйно-кавитационном способе приготовления горючей смеси используется атмосферный воздух, а природный газ является всасываемой (пассивной) средой. 
Поскольку КПГ содержит чистый кислород и пары воды, то готовить горючую смесь новым способом необходимо при расходе воздуха меньше теоретического, за счет чего примерно на 10 процентов снижается количество атмосферного воздуха в горючей смеси. 
При приготовлении горючей смеси природный газ подвергается струйно-кавитационной обработке, что позволяет экономить до 15 процентов природного газа. В результате струйно-кавитационного смешения природного газа и воздуха получается высокогомогенизированная воздушно-газовая горючая смесь с размерами топливных частиц не более 10 мкм и со сниженным суммарным содержанием «воздушного» и «топливного» азота. При сжигании смеси суммарный выброс в атмосферу свободного азота и его оксидов уменьшается до 70,3-73,8 процента, то есть в среднем в 1,3 раза. 
Очевидно, что внедрение струйно-кавитационного способа приготовления горючей смеси на автомобильных двигателях дело не одного дня, к тому же потребует и принципиального качественно-количественного изменения воздухо- и топливоподающих систем двигателей, а пока в качестве автомобильного горючего можно смело использовать гидротопливо, то есть водо-топливную эмульсию. 
Использование водо-топливных эмульсий в автотракторных и судовых двигателях внутреннего сгорания имеет более чем полувековой опыт и показало свою экологическую и экономическую эффективность. 
Несомненно, компримированный природный газ – это самый перспективный вид топлива, в том числе и для автомобилей, однако применяемые сегодня технологии его подготовки и смешения, а также существующая организация процесса сгорания не стимулируют его широкое применение. 
Именно поэтому одним из обязательных условий массового использования сжатого природного газа является дальнейшая разработка и внедрение новых, более эффективных технологий и технологических процессов по его подготовке и сжиганию. 

 

К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, к. т. н. Евгений ДУБРОВИН

0 коментариев
 

Карта в мире ГБО

 

 Ежегодная выставка газового оборудования в Варшаве

  


Самая актуальная тема. связанная сегодня с использование газа на транспорте - регистрация газового оборудования в ГИБДД. 5-6 тысяч рублей - стоимость процедуры, утвержденной МВД. Давайте выскажемся - кто и что думает по этому поводу.

Случайное изображение