Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Обеспечение экологической безопасности автомобиля путём использования альтернативных видов топлива


Лекция 4

На эти вопросы необходимо ответить письменно и сдать работы 15 марта.

 

 

 

 

Одним из эффективных путей снижения негативного влияния автомобиля на экологию города является использование альтернативных, экологически более чистых видов моторного топлива. Использование альтернативных видов топлива позволяет решить сразу две задачи: снизить экологическую опасность автотранспортных средств и сократить использование нефти на потребности автомобильного транспорта.

Из всех используемых на автомобильном транспорте видов топлива и источников энергии по количеству запасов необходимо выделить следующие: газ сжиженный нефтяной (ГСН), природный газ (ПГ), шахтный метан, биогаз, спирты, водород, биодизельное топливо, диметилэфир (ДМЭ), электрическая энергия, синтетические жидкие углеводороды.

Газ сжиженный нефтяной (сжиженный углеводородный газ). Под ГСН (СУГ) понимается смесь, состоящая из легкоконденсирующихся при сжатии газообразных углеводородов. Их основными компонентами являются пропан (С3Н8) и бутан (С4Н10). Пропан-бутановая смесь находится в жидком состоянии при температуре окружающей среды и избыточном давлении свыше 1,4 МПа.

ГСН является продуктом переработки попутного газа и сырой нефти. 60 % пропана поступает на мировой рынок с месторождений и 40 % - с нефтеперерабатывающих заводов.

ГСН, используемый в качестве моторного топлива, представляет собой коктейль, состав которого непостоянен. Компонентный состав ГСН определён ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта».

 

ПА применяют при температуре от минус 20 0С до минус 35 0С; ПБА применяют при температуре не ниже минус 200С.

 

 

Несмотря на высокие темпы роста, они всё же значительно ниже, чем у рынка природного газа. Объясняется данный факт тем, что потребление пропана в нефтехимической промышленности также стремительно растёт и приносит более высокие дивиденды.

 

Природный газ. Природные газы добываются из чисто газовых или газоконденсатных месторождений. Составы природных газов газовых и газоконденсатных месторождений основных газоносных и нефтегазоносных регионов СНГ представлены в таблице 1.


Таблица 1 – Химический состав газов газовых и газоконденсатных месторождений, основных газоносных и нефтегазоносных регионов СНГ

 

Месторождение Местоположение Состав газа, %
СН4 С2Н6 С3Н8 С4Н10 С5Н12 N2 Н2S СО2
Уренгойское Север Тюменской обл. 99,4 0,3 - - - - Нет 0,3
Заполярное То же 99,6 0,2 - - - - Нет 0,2
Игримское Запад Тюменской обл. 93,9 2,3 0,7 0,5 0,5 2,0 Нет 0,1
Шебелинское Восточная Украина 93,6 4,0 0,6 0,7 0,4 0,6 Нет 0,1
Мирненское Ставропольский край 82,43 9,45 1,63 0,61 0,65 1,21 Нет 4,02
Ачакское Север Туркменистана 93,35 3,60 0,95 0,33 0,32 1,0 Нет 0,45
Байрам-Али Восточные районы Туркменистана 96,2 1,0 0,1 - - 2,5 Нет 0,2
Газли Западный Узбекистан 94,2 2,6 0,1 0,1 0,1 2,1 Нет 0,18
Усть-Вилюйское Республика Саха Якутия 92,5 2,8 1,8 0,9 0,4 1,4 Нет 0,2
Майкопское Краснодарский край 88,7 5,1 1,6 1,0 1,1 1,0 Нет 1,5
Каневское То же 88,5 3,8 2,9 1,7 1,3 1,4 Нет 0,4
Челбасское То же 85,3 5,0 1,7 0,6 1,1 3,9 Нет 1,4
Степновское Саратовская обл. 94,9 2,3 0,7 0,4 1,0 0,2 Нет 0,5
Русский Хутор Республика Дагестан 69,1 11,3 3,3 1,7 8,6 3,3 Нет 2,7
Кара-Даг Азербайджан 88,6 3,1 1,8 1,1 4,7 0,2 Нет 2,7
Оренбургское Оренбургская обл. 82,13 3,69 1,5 1,4 2,2 7,5 1,3*-1,5 0,5
Коробковское Волгоградская обл. 88,8 3,5 2,4 1,7 3,4 - Нет 0,2
Канчуринское Республика Башкортостан 84,6 5,0 1,9 0,7 1,8 6,0 Нет -
Вуктылское Республика Коми 75,7 9,1 3,1 0,7 7,5 3,7 Нет 0,2

* На отдельных участках месторождения содержание Н2S достигает 4,5%.




Сверхкритическое состояние природного газа является причинами, предопределяющими технологию его хранения на борту транспортного средства:

- сжатие до высоких давлений 20 – 25 МПа и более и заправка им специальных баллонов (компримированный природный газ);

- сжижение охлаждением до –1620С и заполнение им теплоизолированных емкостей (сжиженный природный газ).

В настоящее время на автомобильном транспорте используется в основном компримированный природный газ (КПГ). Однако применение сжиженного природного газа (СПГ) является перспективным развивающимся направлением.

Главным преимуществом сжиженного метана является то, что при сжижении объем природного газа уменьшается в 600 раз. На практике это означает следующее: в одинаковом геометрическом объеме сжиженного газа содержится в три раза больше, чем компримированного природного газа при давлении 200 атм. Так, в автомобильном баллоне вместимостью 50 л при давлении 200 атм и температуре окружающей среды 20 °С содержится 12 м3 газа в газообразном состоянии (что эквивалентно 12 л бензина или дизельного топлива). В таком же 50 литровом криогенном баллоне содержится в три раза больше метана в сжиженном состоянии и, следовательно, пробег на одну заправку топливом увеличивается в три раза.

По данным Международной ассоциации по использованию природного газа на транспортных средствах (IANGV) мировыми лидерами по размерам парка газобаллонных автомобилей (ГБА) на КПГ являются Аргентина (687 тыс. ед.), Италия (370 тыс. ед.), Пакистан (200 тыс. ед.), Бразилия (120 тыс. ед.), США (102 тыс. ед.). Россия, имеющая парк ГБА на КПГ численностью 31 тыс. ед., в этом списке занимает 9 место.

Объективный анализ показывает, что по экологическим, ресурсным, экономическим и техническим критериям природный газ еще долго будет оставаться наилучшим моторным топливом.

Благодаря природной простоте и совершенству, метан, являющийся основой природного газа, обладает рядом бесспорных преимуществ. Достаточно посмотреть на его химическую формулу СН4 – на один атом углерода приходится четыре атома водорода. Это, кстати, объясняет также и то, почему природный газ является наиболее дешевым сырьем для получения водорода или ДМЭ.

Первым и главным преимуществом природного газ является его относительная экологическая безопасность. Среди освоенных видов моторного топлива метан имеет максимальное соотношение углерод/водород. Благодаря этому в продуктах сгорания природного газа значительно меньше двуокиси углерода, чем в продуктах сгорания других видов топлива. По строению молекулы метана просты и устойчивы, что обеспечивает высококачественное протекание процесса сгорания и бездетонационную работу двигателя.

Мировые запасы природного газа существенно превышают запасы нефти. Поэтому с точки зрения ресурсной безопасности природный газ также более предпочтителен, чем нефтяные виды топлива.

По технической безопасности природный газ также имеет преимущества перед другими популярными видами моторного топлива.

При несоблюдении правил эксплуатации и обслуживания любое техническое изделие представляет определённую опасность. Газобаллонные автомобили – не исключение. В то же время при определении потенциальных рисков следует учитывать такие объективные физико-химические свойства газов, как температура и концентрационные пределы самовоспламенения.

Для взрыва или воспламенения необходимо образование топливовоздушной смеси, т.е. объемное смешение газа с воздухом Нахождение газа в баллоне под давлением исключает возможность проникновения туда воздуха, в то время как в баках с бензином, дизельным топливом или керосином всегда присутствует смесь их паров с воздухом.

Нижние температурные и концентрационные пределы воспламенения ГСН и КПГ существенно выше, чем у нефтяных видов топлива. Это свидетельствует о большей безопасности газовых видов топлива при соблюдении правил эксплуатации и обслуживания.

Сравнивая КПГ и СУГ, следует отметить, что сжиженный углеводородный газ в эксплуатации более опасен. Он тяжелее воздуха и при проливе стремится вниз. При этом газ интенсивно испаряется и образует в приземном слое взрывоопасную смесь с воздухом. Именно поэтому в нормах пожарной безопасности для АГЗС, где проливы газа наиболее вероятны, предусматриваются самые большие противопожарные разрывы между зданиями и сооружениями.

Стоимость природного газа при его использовании в качестве моторного топлива значительно ниже стоимости любою другого моторного топлива, имеющеюся на заправочных станциях. Следовательно тe, кто эксплуатирует свои автомобили на этом виде топлива, находятся в экономически более безопасной ситуации.

Естественным способом, т.е без использовании сложных технологических процессов переработки получают только компримированный природный газ. По сути, автомобильная газонаполнительная компрессорная станция является одновременно и заводом по производству топлива и точкой его реализации. Именно из-за сокращения числа технологических переделов компримированный природный газ во всем мире является наименее дорогостоящим топливом. Остальные альтернативные виды углеводородного моторного топлива получают в процессе переработки нефти, газа или биологической массы. Все они без исключения значительно дороже природного газа.

Шахтный метан. В последнее время к числу альтернативных видов автомобильных топлив стали относить и шахтный метан (СН4), добываемый из угольных пород. Шахтный метан в качестве моторного топлива используется в США, Италии, Германии и Великобритании. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Прогнозируемые ресурсы метана в угольных пластах только в Кузбассе до глубины 1,8 км составляют 14 % мировых ресурсов метана в угольных пластах и около 6 % прогнозных ресурсов природного газа в России.

Биогаз. Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Биогаз можно получить в процессе микробиологического разложения практически любых твёрдых и жидких органических отходов. Промышленное получение биогаза осуществляется в специальных биореакторах (метантенках), где производится не только газ, но и органические удобрения.

Так же как и природный газ, биогаз перед применением в качестве моторного топлива подвергается обогащению (до уровня содержания метана равного 95 %), очистке, осушке и компримированию.

Известны примеры использования биогаза в странах ЕС, Китае и США. Причём в последние годы интерес к этому виду моторного топлива постоянно растёт. Например, в 1996 г. в Стокгольме на одном из заводов по очистке канализационных вод была построена опытная установка для производства биогаза. Она позволяла получать 1000 м3 газа в день, что эквивалентно примерно 1000 л бензина. В начале 2000 г. в шведской столице насчитывалось уже более 300 ГБА на биогазе, заправку которых обеспечивали четыре газозаправочные станции. В столице Исландии Рейкьявике с загородной свалки органических отходов собирают до 500 м3 газа в час, который после специальной подготовки доставляется в контейнерах к потребителю для заправки автомобилей. Свалки органических отходов стали источником для нового моторного топлива не только в городах Швеции, но и в Швейцарии, Исландии. В Китае уже в 1999 г. действовали 7 млн. малых установок получения биогаза. В значительных объёмах биогаз добывается в США – 500, Германии – 400, Великобритании – 200, Нидерландах – 50, Франции – 40, Италии – 35 и Дании – 5 млн. м3.

 

Спирты. Для питания двигателей внутреннего сгорания можно применять: метиловый спирт (метанол) (СН3ОН), этиловый спирт (этанол) (С2Н5ОН), а также бутанол (С4Н3ОН). Они могут быть основными топливами двигателя, или применяться в качестве присадок к традиционным топливам.

Метанол можно производить из природного газа, угля, биомассы или городских отходов. Энергетический коэффициент полезного действия производства метанола из угля составляет приблизительно 45...50 %, что достаточно близко к значению 40 %, характерному для производства дизельного топлива и бензина. В случае производства метанола из дерева этот коэффициент колеблется в пределах 42...50 %, а при получении метанола из природного газа – 60...70 %. Возможности получения метанола из биомассы или городского мусора могут способствовать более широкому его применению в качестве альтернативного вида топлива.

Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Данные обстоятельства обеспечивают широкое применение метанола на гоночных автомобилях. В качестве моторного топлива применяется в основном смесь М 85 (85 % метанола и 15 % бензина), а также чистый метанол М 100 (100 % метанола). При применении метанола коэффициент полезного действия двигателя возрастает на 5...10 % по сравнению с двигателем, работающим на бензине. Метанол может служить основой для эфирной добавки – метилтретбутилового эфира (МТБЭ). Бензин с МТБЭ составляет примерно 30 % от всего объема продаж бензина в США.

Этанол получают в основном в процессе брожения растительного сырья. Он обладает высоким октановым числом и энергетической ценностью, является отличным моторным топливом. Лидерами по масштабам изготовления этанола для нужд автотранспорта являются Бразилия и США. В США этанол используется как «чистое» топливо в 21-м штате, а этанол-бензиновая смесь (90 % бензина и 10 % этанола) составляет 10 % топливного рынка и используется более чем в 100 млн. двигателях. В Бразилии 20 %-ная присадка этилового спирта добавляется ко всем бензинам. 90 % новых автомобилей, покупаемых в стране, работают на этиловом спирте.

Спирты используются, преимущественно, для питания двигателей с принудительным воспламенением. Однако специальные технические решения позволяют применять их и в дизелях.

Водород. Преимуществом водорода (Н2) как моторного топлива является его неисчерпаемые ресурсы в природе и возможность получения из возобновляемых сырьевых источников. Водород можно получить в результате электролиза воды, для чего необходимы затраты большого количества энергии, например энергии солнца. Возможно также его получение из биомассы, в результате гидрирования угля, частичного окисления углеводородного топлива. Водород может быть использован в топливных элементах и в двигателях внутреннего сгорания.

Топливные элементы – это устройства, генерирующие электроэнергию непосредственно на борту транспортного средства, за счет процесса обратного электролизу (в процессе реакции водорода и кислорода образуется вода и электрический ток). В качестве водородосодержащего топлива, как правило, используется либо сжатый водород, либо метанол.

Хранение водорода на борту автомобиля возможно в газообразном виде в баллонах под избыточным давлением 41 МПа, в жидком состоянии в криогенных емкостях при температуре –253 0С и в составе гидридов некоторых металлов (Li, Mg, Ca, Na, K, Fe). Кроме того, возможно получение водорода, точнее водородосодержащего газа (синтез-газа), непосредственно на борту автомобиля из жидкого углеводородного продукта путём его термохимического преобразования (конверсии). В качестве такого продукта целесообразно использовать углеводородные соединения с низкой температурой диссоциации и высоким содержанием водорода, в частности метанол. Синтез-газ, содержащий по объёму от 2/3 до 3/4 частей водорода, может быть получен из метанола путём каталитического разложения:

- сухая конверсия;

- паровая конверсия.

 

 

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по использованию водорода на автомобильном транспорте ведутся в России, странах ЕС, США.

Биодизельное топливо. Все растительные масла, получаемые в процессе гидравлической обработки растений, являются горючими и могут быть применены для питания двигателей с воспламенением от сжатия. Наиболее распространёнными растительными маслами, над использованием которых проводятся исследования, являются: рапсовое, соевое, подсолнечное и пальмовое. Однако из-за термической нестабильности и высокой вязкости растительных масел больший интерес вызывают не сами масла, а их эфиры. Для получения эфиров растительных масел используется процесс гидролиза в присутствии катализаторов.

В последние годы в США, Канаде и странах ЕС возрос коммерческий интерес к биодизельному топливу, в особенности к технологии его производства из рапса. В Австрии биодизельное топливо уже сейчас составляет 3 % общего рынка дизельного топлива. В США планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и грузовых автомобилях.

Диметилэфир. Использование ДМЭ (СН3ОСН3) возможно в качестве альтернативного моторного топлива в дизелях благодаря низкой склонности к дымлению (за счет высокого содержания кислорода), высокому цетановому числу и короткой задержке воспламенения, а также низкой токсичности выхлопа. По физическим свойствам ДМЭ близок к газу сжиженному нефтяному, поэтому для сохранения в сжиженном состоянии при нормальных атмосферных условиях диметилэфир, также как пропан-бутан, должен храниться в газовом баллоне под давлением порядка 5 кгс/см2.

Сырьевой базой для производства ДМЭ является природный газ, уголь, кокс нефтяного происхождения и биомасса. В настоящее время ДМЭ находит промышленное применение, главным образом, в качестве вытеснительного газа в аэрозольных упаковках, что обусловлено его хорошими экологическими и косметическими свойствами.

Электромобили. Электромобили приводятся в движение за счёт электрической энергии. По способу получения электрической энергии они делятся на три типа: аккумуляторный электромобиль; гибридный автомобиль; автомобиль на топливных элементах.

Использование аккумуляторных электромобилей сдерживается неэффективностью аккумуляторных батарей в силу их недолговечности, больших размеров, значительного веса и малой энергоёмкости. Вместе с тем, такие автомобили могут найти применение в городах с неблагоприятной экологической обстановкой, поскольку выбросы загрязняющих веществ от них практически равны нулю. Не случайно правительство Мексики заказало 40000 автомобилей e.Volution для замены бензиновых и дизельных автомобилей-такси г. Мехико, где воздух сильно загрязнён.

 

В действительности гибридные автомобили могут быть разделены на два класса: последовательный гибрид, в котором вся энергия переводится в электричество, и параллельный гибрид, в котором двигатель внутреннего сгорания соединяется с ведущими колёсами механически через трансмиссию, а поток электроэнергии передаётся параллельно. В гибридных силовых установках двигатель внутреннего сгорания работает при наиболее эффективных скоростях и нагрузках. В настоящее время многие автомобильные компании (Nissan, Toyota, Honda, Volvo, Ford, Fiat, GM и др.) имеют свои опытные варианты гибридных автомобилей.

 

Топливный элемент – это электрохимическое устройство преобразования энергии, в котором в процессе соединения водорода с кислородом, получаемым из воздуха, образуется электрический ток. Электричество, произведённое топливными элементами, может использоваться в электрической трансмиссии автомобиля, состоящей из преобразователя электроэнергии и асинхронного двигателя переменного тока, для получения механической энергии и привода ведущих колёс. На протяжении последних лет большинство из ведущих мировых производителей автомобилей (DaimlerChrysler, GM, Ford, Honda, Toyota и др.) инвестируют значительные средства в разработку конструкций автомобилей, использующих топливные элементы.

Синтетические жидкие углеводороды. По своему химическому составу нефть – смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Кроме того, она содержит метан и некоторые сернистые и азотистые примеси. Бензин – легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5…9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолетов. Керосины более вязкие и тяжелые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10…16 атомами углерода. Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолетов и ракетных двигателей. Газойль – более тяжелая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья ненефтяного происхождения. Химики решили эту задачу еще в 1926 году, когда немецкие ученые Ф. Фишер и Г. Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода (СО) при атмосферном давлении. Оказалось, что в присутствии катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения водорода и монооксида углерода в газовой смеси жидкие и даже твердые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти. Смесь монооксида углерода и водорода, получившую название «синтез-газ», довольно легко получить из природного сырья: пропусканием водяного пара над углем (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) водяным паром в присутствии металлических катализаторов. Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путем разложения органических отходов, так называемого биогаза.

Интересно, что во время Второй мировой войны синтетическое топливо, полученное из угля, практически полностью покрывало потребности немецкой авиации. Работы по получению бензина из бурого угля до войны велись и в Советском Союзе, но до промышленного производства дело не дошло. В послевоенные годы цены на нефть упали, и потребность в синтетическом бензине и других топливных углеводородах на какое-то время отпала. Теперь же в связи с уменьшением нефтяных запасов планеты исследования в этой области переживают свое «второе рождение».

 

Из всех рассмотренных выше альтернативных видов топлива наибольшее распространение в России получило газовое моторное топливо (ГМТ), представленное двумя его видами – ГСН и КПГ. Этот факт объясняется, прежде всего, более низкой ценой ГМТ по сравнению с бензином и дизельным топливом, что обуславливается значительными природными запасами сырьевого газа и более простой и, соответственно, более дешёвой технологии его переработки в топливо. Необходимо отметить, что физико-химические и моторные характеристики ГМТ позволяют использовать его для питания бензиновых и дизельных двигателей, без существенной их доработки, а капитальные вложения в переоборудование автомобилей имеют небольшой срок окупаемости.

 

 

 

 

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Построение карты восприятия | Вопросы для самопроверки

Дата добавления: 2014-01-03; Просмотров: 561; Нарушение авторских прав?


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

Читайте также:
studopedia.su - Студопедия (2013 - 2020) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.008 сек.