Газы не нефтяного происхождения

К газам не нефтяного происхождения следует отнести биологический газ, светильный (бытовой) газ и генераторный (древесный) газ.

Биологический газ образуется в результате процесса гниения биомассы (растения, жидкий и стойловый навоз и т.д.) без доступа воздуха. Остаток – высокоценное сельскохозяйственное удобрение. Основной компонент высококалорийного биогаза – метан.

Светильный газ получают из каменного угля путем сухой перегонки при высокой температуре без доступа воздуха. В зависимости от сорта используемого угля и вида коксования состав газа и его теплота сгорания оказываются различными. В целом газы коксования отличаются большим содержанием водорода Н₂ (25...50 %) и меньшим содержанием метана (15...35 %). Поскольку теплота сгорания единицы объема водорода меньше, чем метана (соответственно 9,37 и 35,8 МДж/м³), эти газы отличаются меньшей теплотой сгорания и являются среднекалорийными. Кроме того, в их состав входит в количестве 10...20 % и более СО, имеющий объемную теплоту сгорания лишь немного большую (12,03 МДж/м³), чем у водорода. Количество азота N₂ и его производных в светильном газе значительно (10...20 %), в небольших количествах присутствуют также СО₂ (3...6 %), О₂ (до 1 %), Н₂S и пары воды.

Для повышения теплоты сгорания светильного газа он может быть подвергнут обогащению (метанизации). При метанизации газы СО и Н₂ в присутствии катализатора (Ni и др.) обращаются в метан.

Генераторный газ получают в специальных установках – газогенераторах. В качестве сырья могут быть использованы древесина и древесные части растений, уголь, торф, ореховая скорлупа, шишки, коробочки хлопчатника, кукурузные початки и т.п. Основные рабочие компоненты – угарный газ СО (25...30 %) и водород. Однако из-за содержания в генераторном газе негорючих составляющих – азота (50 % и более) и углекислого газа СО₂ (до 10...15 % и более) – он является весьма низкокалорийным топливом (объемная теплота сгорания 3,8...5,0 МДж/м³), поэтому при его использовании мощность конвертируемого двигателя неизменно падает до 2,5…3 раз.

Рассмотренные газы могут быть применены как в двигателях с искровым зажиганием, так и в дизелях.

Растительные масла

Растительные масла не поддаются однозначному химическому определению. Существуют различия не только между маслами различных растений, но и в зависимости от места происхождения – между маслами одного вида растений. Основными компонентами растительных масел являются триацилглицерины (до 95…97 мас. %) – сложные полные эфиры глицерина (синоним – триглицериды), а также диацилглицерины и моноацилглицерины. Ацилглицерины содержат в своем составе молекулы различных жирных кислот (преимущественно C₁₆ и C₁₈, как насыщенные, так и ненасыщенные с одной-тремя двойными связями), связанные с молекулой глицерина C₃H₅(OH)₃.

Растительные масла обладают высокой плотностью (900…1000 кг/м³) и вязкостью, на порядок превышающей вязкость стандартного ДТ, низкой испаряемостью и температурой самовоспламенения (выше аналогичной для ДТ всего на 20…50 °С), цетановое число находится в пределах 30…50 ед., теплота сгорания – до 36 МДж/кг. Исходя из указанных свойств, растительные масла (рапсовое, пальмовое, подсолнечное, соевое, хлопковое, арахисовое, касторовое и многие другие) неприемлемы для двигателей с искровым зажиганием, но могут быть с успехом применены в качестве топлива для дизельных двигателей.

Благодаря высокому содержанию кислорода (до 10…12 мас. %) топлива на основе растительных масел обладают высокими экологическими свойствами. Температура сгорания оказывается существенно ниже, чем у ДТ, в результате чего снижается эмиссия NO_x. Кислород топлива способствует более полному сгоранию, поэтому значительно уменьшается содержание CH и сажи (C) в отработавших газах. Практически полное отсутствие серы сводит к нулю содержание сернистых газов и кислот, а отсутствие ПАУ – канцерогенов. При попадании в почву растительные масла практически полностью разлагаются микроорганизмами в течение одного месяца.

Однако благодаря низкой термоокислительной стабильности растительных масел в камерах сгорания дизелей наблюдается повышенное нагарообразование, а в системах топливоподачи – отложение смоло- и лакосодержащих веществ. Коксуемость 10%-го остатка большинства растительных масел выше, чем у ДТ, и составляет обычно 0,4…0,5 %. Кроме этого, растительные масла обладают неудовлетворительными вязкостно-температурными характеристиками (вязкость слишком велика – 50…80 сСт при 20 °С), что ставит перед необходимостью предварительного подогрева топлива.

Наилучшим образом растительные масла и их производные можно использовать в качестве добавок к нефтяному топливу для дизелей. Уже сейчас в ряде европейских стран (в частности в Германии в соответствии с DIN 51606) на сеть заправочных станций поставляется топливо на базе рапсового масла, называемое биодизелем,которое обозначается буквой B, а цифра при букве означает процентное содержание биодизеля: В5 содержит 5 % биодизеля и т.д. Для биодизеля в странах ЕС разработан также специальный стандарт EN 14214. Кроме этого, стандарт EN 590 допускает содержание 5 % биодизеля в обычном топливе.

Благодаря описанным выше положительным свойствам биодизель рекомендуют к применению большинство ведущих автопроизводителей Европы и США. Более того, в этих и других странах мира существуют программы по производству и использованию растительных масел в качестве компонентов топлива, в том числе и как способ “утилизации” отработанного масла жаровен пищевой промышленности (хлебопекарен, ресторанов и т.п.), которое после переработки становится сырьем для получения дизельного топлива.

Помимо использования смесевых топлив ДТ с растительными маслами хорошую перспективу имеют топлива, получаемые прямой этерификацией масел с метиловым (или этиловым) спиртом, в результате которой получают метиловый (или этиловый) эфир соответствующего масла. К примеру, из 1050 кг рапсового масла и приблизительно 150 кг метанола получают около 1 т метилового эфира рапсового масла и 200 кг глицерина. После проведения реакций этерификации (при 60…90 °C) полученный продукт очищают от продуктов омыления (для снижения нагарообразования) и воды, которая способствует образованию свободных жирных кислот в топливе и повышает его коррозионную агрессивность.

Метиловый эфир рапсового масла (биодизель B100) очень близок по свойствам к стандартному ДТ [5]: его плотность 877 кг/м³, вязкость 8 сСт при 20 °C, ЦЧ – 48 ед., L ₀ – 12,6 кг возд./кг топл., Q _н – 37,8 МДж/кг, температура самовоспламенения 230 °C, температура застывания минус 21 °C и коксуемость 10 %-го остатка в пределах 0,3 %. Этиловый эфир того же масла близок по свойствам к среднетяжелому ДТ с вязкостью около 30 сСт при 20 °C. Содержание серы в эфирах не превышает 0,01 мас. %. Получаемые таким образом топлива могут подаваться штатной топливной аппаратурой дизеля, а рабочий процесс в цилиндре протекает аналогично стандартному ДТ.

Скипидар и аммиак

Скипидар и аммиак обладают весьма высокой детонационной стойкостью, поэтому наилучшим образом они могут быть использованы в двигателях с искровым зажиганием, в дизелях – только при условии проведения мероприятий, повышающих самовоспламеняемость топлива и температуру конца сжатия.

Скипидар, или терпентинное масло – бесцветная прозрачная жидкость с острым запахом, температурой кипения 150…170 °С и плотностью 855…863 кг/м³. Температура воспламенения паров скипидара достаточно низка – 32…35 °С, а температура самовоспламенения находится в пределах 250…300 °С. Главной составной частью скипидара является пинен (C₁₀H₁₆ альфа- и бета-структуры), относящийся к группе карбоциклических соединений (терпенов). Он имеет одну двойную связь и легко окисляется кислородом воздуха. Содержание пинена в скипидаре обычно варьируется в пределах 60…80 %. Другие значимые компоненты скипидара – 3-карен (10…20 %) и дипентен (около 5 %); остальные – камфен, лимонен, терпинолен, цимол, мирцен, кариофиллен и др. содержатся в нем в относительно малых количествах [46]. Таким образом, состав скипидара достаточно сложен и зависит от вида сырьевого источника.

Способов производства скипидара известно достаточно много: живичный скипидар получают отгонкой летучей части живицы (сосновой, еловой, лиственничной, кедровой и т.д.) при производстве канифоли; экстракционный скипидар выделяют отгонкой из смолистых веществ, извлекаемых растворителями (бензином) из щепы пневого или стволового осмола; сульфатный скипидар выделяют путем конденсации паров, образующихся при варке хвойной древесины в производстве целлюлозы; гидролизный скипидар – побочный продукт гидролизных производств и т.д.

Скипидар является ценным органическим растворителем, широко применяется в производстве красок и в медицине. Объемов производства скипидара в настоящее время явно недостаточно для его широкого применения в качестве топлива для ДВС, а цена его достаточно высока (около 100 руб. за литр). Однако в крайнем случае скипидар может быть применен как самостоятельное топливо или в смеси с нефтяными фракциями.

Аммиак (NH₃) – наиболее перспективен, поскольку его сырьевая база практически не ограничена (азот воздуха и вода). Наличие мощной ядерной энергетики может служить ресурсом для производства аммиака. При термическом разложении его в камере сгорания получаются азот N₂ и водород, который собственно и дает экзотермическую реакцию.

При нормальных условиях аммиак – газ, температура кипения его – минус 33,35 °С, плотность жидкой фазы при данной температуре – 681 кг/м³. Жидкий аммиак хранят при давлении 2,0 МПа или при атмосферном давлении и температуре ниже минус 34 °С.

Положительным свойством аммиака следует считать исключительную детонационную стойкость (ОЧМ – 111, ОЧИ – 132, ЦЧ – 0), что позволяет повысить степень сжатия и тем самым частично компенсировать его низкую скорость сгорания. При использовании аммиака необходимо принимать меры к турбулизации заряда в цилиндре двигателя и обеспечить повышенную мощность искрообразования (с применением плазменного разряда). Более перспективным представляется сжигание не чистого аммиака, а так называемого бинарного топлива, т.е. смеси аммиака с гидразином – N₂H₄. Детонационная стойкость бинарного топлива несколько меньше, чем у аммиака, однако процесс сгорания такого топлива протекает более интенсивно.

Теплота сгорания аммиака в 2,5 раза ниже, чем бензина, что пред-определяет повышенный массовый расход топлива, поэтому вместимость топливных баков должна быть увеличена. Аммиак ядовит, а жидкий аммиак вызывает сильные ожоги, что предъявляет повышенные требования к технике безопасности при работе с ним. Токсичность ОГ при работе на азотоводородных топливах меньше, чем на нефтяных и даже спиртах, поскольку продукты на выходе – азот и вода. Моторные масла при контакте с аммиаком практически не изменяют своих свойств.