В.Р. Ведрученко, И.И. Малахов 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

В.Р. Ведрученко, И.И. Малахов



В.Р. Ведрученко, И.И. Малахов

 

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

 

Омск 2013


Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Омский институт водного транспорта (филиал)

федерального бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Новосибирская государственная академия водного транспорта»

Кафедра Специальных технических дисциплин

 

Ведрученко Виктор Родионович

Малахов Иван Игоревич

 

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА

ДЛЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

 

 

Монография

 

 

Омск 2013


УДК 665.75/76(031)

ББК 31.353; 35.514

В 26

 

Ведрученко, В.Р. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей [Текст]: монография / В.Р. Ведрученко, И.И. Малахов. - Омск: Омский институт водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ», 2013. – 173 с.

 

ISBN 978-5-8850-361-4

 

В монографии представлены основные результаты научных исследований по теоретическому обоснованию использования в судовых дизелях топлив нефтяного происхождения. Проанализированы и сопоставлены моторные, эксплуатационные, экологические и энергетические свойства альтернативных видов топлива, принципиально пригодных для судовых дизелей. Сформированы первичные условия и общая методика подбора АВТ для конкретной марки судового дизеля, последующих расчетных исследований рабочего процесса и процесса топливоподачи.

Выполнена попытка оценки экономического ущерба от воздействия вредных выбросов судовых дизелей; предложен метод прогнозирования перспектив топливоиспользования на дизельном флоте.

Рассмотрен индикаторный процесс и индикаторные диаграммы дизелей, полученные численным моделированием на ПЭВМ с использованием программы «Тритон» для нефтяного дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа; оценена эффективность утилизации тепла отработавших газов судовых дизелей, использующих разные по составу топлива, как нефтяные, так и альтернативные виды.

Предложены и обоснованы технические решения, позволяющие использовать различные по свойствам АВТ и смеси в судовых дизелях разных типоразмеров и назначения.

Предназначена для научных и инженерно-технических работников водного транспорта, преподавателей, аспирантов и студентов.

 

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор С.М. Овчаренко (ОмГУПС);

А.Л. Иванов, канд. техн. наук, доцент

Рекомендовано Советом

Федерального бюджетного образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

«Новосибирская государственная академия водного транспорта»

(ОИВТ (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ»)

ISBN 978-5-8850-361-4 ©Ведрученко В.Р. 2013

©Омский институт водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «НГАВТ», 2013


СОДЕРЖАНИЕ

 

СОДЕРЖАНИЕ. 1

ВВЕДЕНИЕ. 5

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВАХ.. 7

1.1 Биодизельное топливо. 9

1.2 Диметиловый эфир. 11

1.3 Газообразное топливо. 15

1.4 Газоконденсатное топливо. 19

1.5 Жидкое топливо из углей. 21

1.6 Спиртовое топливо для дизелей. 24

1.7 Энергетическая классификация топлив для ДВС.. 26

2. ИНДИКАТОРНАЯ ДИАГРАММА И РАСЧЕТ ДИНАМИЧНОСТИ ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ ПРИ РАБОТЕ НА НЕФТЯНЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА И ТОПЛИВНЫХ СМЕСЯХ.... 29

3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВА В ДИЗЕЛЯХ. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА И РЕКОМЕНДАЦИИ.. 39

4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЯ НА ПРОЦЕССЫ ТОПЛИВОПОДАЧИ И СГОРАНИЯ ТОПЛИВ С РАЗНЫМИ СВОЙСТВАМИ.. 49

5. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ЛЕГКИХ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ И НЕФТЯНЫХ ТОПЛИВ НА РАБОТУ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЕЙ.. 56

6. ВЫБОР СХЕМ И РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ТОПЛИВОПОДАЧИ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ И ТЯЖЕЛЫХ ТОПЛИВ В ДИЗЕЛЯХ 66

7. ВРЕДНЫЕ ВЫБРОСЫ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ И ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКООГО УЩЕРБА ОТ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ.. 87

8. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ДИЗЕЛЬНОМ ФЛОТЕ МЕТОДАМИ ЭКСПЕРТНЫХ ОЦЕНОК.. 101

9. ВЫБОР СОРТА (МАРКИ) АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА И ТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.. 113

9.1. Критерии оценки эффективности применения альтернативных видов топлива в ДВС.. 113

9.2. Влияние состава топлива на индикаторный процесс и характеристику впрыска дизеля. 114

9.3. Применение в судовых дизелях смесей жидких маловязких АВТ со стандартным дизельным топливом. 118

9.4. Применение в судовых дизелях смесей утяжеленных АВТ со стандартным дизельным топливом. 120

 

10. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ ТРАДИЦИОННЫХ И АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ТОПЛИВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ.. 128

11. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ИНДИКАТОРНЫЕ, ЭФФЕКТИВНЫЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ.. 140

12. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВ ТОПЛИВОИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА ДИЗЕЛЬНОМ ФЛОТЕ МЕТОДОМ ЭКСПЕРТНЫХ ОЦЕНОК.. 147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 160

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.. 162

ПРИЛОЖЕНИЯ.. 167


ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мире ежегодно добывается около 3 млрд. т нефти. При сохранении такого уровня добычи нефти ее запасов может хватить на 50-60 лет. Причем, из-за роста спроса на нефть будет непрерывно нарастать ее дефицит, который к 2025 г. достигнет 16 млн. баррелей в день [40].

Поэтому современная структура топливно-энергетического баланса в значительной степени определяется заметным истощением запасов нефти и продолжающимся повышением мировых цен на нефть, превысивших уровень 50 долларов за баррель (159 л). Мировые ресурсы разведанных месторождений составляют около 150 млрд. т нефти (из них в странах бывшего СССР -примерно 10 млрд. т или около 7% мировых запасов нефти) [40]. Россия добывает около 10% от мирового производства нефти [40]. Но основным поставщиком жидких углеводородов на мировой рынок являются страны Ближнего Востока (Ирак, Саудовская Аравия, Иран), обладающие наибольшими сырьевыми ресурсами [40,50].

Несмотря на то, что в ряде опубликованных прогнозов содержатся явные преувеличения по поводу истощения запасов нефти, очевидным остается факт, что технология добычи будет усложняться. И как следствие этого - неизбежная тенденция к повышению стоимости традиционных нефтяных топлив.

В Российской Федерации ситуация осложняется прогнозируемым падением добычи нефти после 2010 г. К этому времени Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере до 10 млн. т в год [40]. В то же время добыча каменного угля и природного газа в период до 2020 г. будет увеличиваться

Поэтому, с одной стороны, поиск моторных топлив не нефтяного происхождения, которые успешно заменили бы традиционные бензин и дизельное топливо, стал задачей мирового масштаба. Сегодня все технически развитые страны заняты поиском путей, с помощью которых с наименьшими затратами и с максимальным эффектом можно было бы решить проблему обеспечения моторным топливом разных видов транспорта в ближайшем будущем.

В ряде стран на общегосударственном уровне предпринимаются попытки смягчения нефтяного кризиса за счет расширения применения альтернативных видов топлив. Так, Европа готовится к 2020 г. заменять традиционные нефтяные топлива на 23 % альтернативными. По прогнозам 10 % замены придется на природный газ, 8 % – на биогаз и 5 % – на водород [40,25].

С другой стороны, ужесточение требований к уровням выбросов вредных веществ работающими ДВС, привело к введению в Европейском сообществе с 01.10.2008 г. стандарта ЕВРО-5, ограничивающего выбросы дизелей: по NOх – до 2,00 г/(кВгч); СО – до 1,5 г/(кВтч); СхНy – до 0,25 г/(кВт ч); по твердым частицам (ТЧ) – до 0,02 г/(кВтч) по 13-режимному ездовому циклу, согласно правилу ЕСЕ R49. Показатели уровня выбросов вредных веществ (ВВВ) двигателя КАМАЗ-740 превышают нормы стандарта ЕВРО-5 по NOx – 4,43 раза; по СО – 3,28 раза; по CxHy, – 4,95раза; по ТЧ – 15,5 раз.

Ниже в табл. 1 приведены нормы токсичности выхлопов, введенные в странах Евросоюза [40,50].

 

Таблица 1 – Нормы токсичности выхлопов для развитых европейских стран

 

 

Стандарт Год введения Содержащие в ОГ, г/км
NOх СО СНх Тв. частицы
ЕВРО-0   14,4 11.2 2.5 -
ЕВРО-1   8.0 4.5 1.1 0,36
ЕВРО-2   7,0 4.0 1.1 0,15
ЕВРО-3   5,0 2,0 0.6 0,10
ЕВРО-4   3,5 1.5 - 0,02
ЕВРО-5   2,0 1,5 - 0,02

 

В России введена система стандартов на выброс СО, СН и сумму СН и NOx (г/км) для ДВС (табл. 2).

 

Таблица 2 – Нормы ГОСТ Р 41.83-99

Стандарт Год введения Тип двигателя Норма выбросов
СО, г/км CH + NOx г/км Частицы, г/исп Испарения, г/исп
ЕВРО-2   Бензиновый 2,2 0,5 -  
Дизель 1,0 0,7 0,08 -
ЕВРО-3   Бензиновый 2,3 0,2 + 0,15 -  
Дизель 0,64 0,56 0,05 -
ЕВРО-4   Бензиновый 1,0 0,1 + 0,08 -  
Дизель 0,5 0,3 0,025 -

Биодизельное топливо

Для получения биотоплива (биодизеля) с требуемыми свойствами используют смеси эфиров (рафинадов) растительных масел с дизельным нефтяным топливом.

Исследованы и испытаны как топливо на различных типах дизелей следующие растительные масла [40]: рапсовое, соевое, подсолнечное, арахисовое, пальмовое, оливковое, кукурузное, хлопковое и др.

Для выработки биодизельного топлива могут использоваться различные масличные культуры (соя, рапс и т.п.), а также отходы производства говяжьего и других животных жиров. Биодизельное топливо из растительного сырья, в отличие от биоэтанола, получают раздавливанием семян масличных культур, в результате которого получают растительное масло. Наиболее часто для производства биодизельного топлива используют рапсовое масло, которое вырабатывается из семян рапса и представляет собой сложные эфиры глицерина и следующих высших карбоновых кислот:

- насыщенных (миристиновой - 1,5%, стеариновой - 1,6%, арахиновой - 1,5%);

- ненасыщенных (олеиновой - 20 - 25%, эруковой - 56 - 65%, линолевой - 14% и линоленовой - 2 - 3%).

Рапсовое масло (табл. 4) имеет высокую температуру плавления и поэтому рапсовое масло подвергают гидролизу с получением глицерина и смеси жирных кислот. Эту смесь этерифицируют метанолом с получением метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла – биодизельное топливо, которое может использоваться как таковое или в виде различных композиций с традиционным нефтяным топливом.

Основные физико-химические и эксплуатационные свойства биодизельного топлива и его смеси с нефтяным дизельным топливом приведены в табл. 4 и 5.


Таблица 4 – Физико-химические и эксплуатационные свойства дизельного топлива (ДТ), рапсового масла (РМ) и их смесей

Физико-химические свойства Топлива
ДТ РМ 80% ДТ + 20% РМ 60% ДТ + 40% РМ 40% ДТ + 60% РМ
Плотность при 20°С, кг/м3          
Вязкость кинематическая при 20°С, мм/с 3,8        
Коэффициент поверхностного натяжения σ при 20°С, мН/м 27,1 33,2 - - -
Теплота сгорания низшая, кДж/кг          
Цетановое число     - - -
Температура самовоспламенения. °С     - - -
Температура помутнения, °С -25 -9 - - -
Температура застывания, °С -35 -20 - - -
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,6 13,9 13,5 13,1
Содержание, % по массе С Н О   87,0 12,6 0,4   78,0 10,0 12,0   - - -   - - -   - - -
Общее содержание серы, % по массе 0,20 0,002 - - -
Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,2 0,4 - - -

Примечание: «-» - свойства не определились; ДТ – дизельное топливо; РМ – рапсовое масло; для смеси ДТ и РМ указано объемное процентное содержание компонентов.

 

 

Таблица 5 – Энергетические, физико-механические и моторные свойства некоторых растительных масел и их смесей как топлив для дизелей

Показатели Дизельное топливо (ГОСТ 305-82) 50% смесь дизельного топлива и подсолнечного масла Подсолнечное масло 50%; смесь дизельного топлива и арахисового масла Арахисовое масло
Теплота сгорания, кДж/кг: низшая высшая     42 967 45 776     39 310 42 573     36 981 39 686     39 829 42 558     37 023 39 638
Плотность при 15,5°С, г/см. 0,8324 0,8787 0,9233 0,8777 0,9173

 

Продолжение таблицы 5

Содержание, % по массе: углерода водорода кислорода     86,6 13,4 0,00     82,3 13,0 4,60     78,3 12,8 8,75     82,1 12,8 4,91     78,0 12,3 9,36
Температура помутнения,°С -17,8 не замерялась -6,70 не замерялась 3,30
Вязкость, сСт: при 20°С при 40°С при 100°С   2.60 1,10   -»- 7,05 3,00   65,2 30,7 7,44   -»- 9,27 4,87   81,5 36,5 8,32
Цетановое число Н/С (соотношение атомов) О/С (соотношение атомов) 50.8   1.84   0.00 не замерялась 1.89   0.044 33,4   1,94   0,084 не замерялась 1,86   0,047 36,6 1,88     0,090
Стехиометрическое соотношение топлива к воздуху 0,069 0.073 0,077 0,073 0,78

 

Диметиловый эфир

Идея применения диметилового эфира (ДМЭ) (табл. 6) в качестве моторного топлива для двигателей с воспламенением от сжатия, возможности его крупномасштабного производства и первые результаты использования в дизелях были опубликованы фирмами AMOCO и NAVISTAR (США), Haldor Topsoe (Дания) и AVL (Австрия) в 1995 г. на конгрессе SAE в Детройте (США). Уже первые испытания ДМЭ в качестве топлива для дизелей свидетельствовали о том, что ДМЭ представляет собой многообещающее альтернативное топливо

В настоящее время ДМЭ единственноесинтетическое топливо, обеспечивающее полную замену традиционному дизельному топливу. Интерес к
диметиловому эфиру объясняется и тем, что в последние годы отечественной химической промышленностью разработаны новые технологии его получения из метана.

Проведенные исследования доказывают, что применение диметилового эфира в качестве моторного топлива для дизелей является основанием для оптимистичных прогнозов. У него есть преимущества перед дизельным и альтернативными топливами. К достоинствам диметилового эфира относятся: пониженная склонность к сажеобразованию при горении; практически полное отсутствие дымности отработавших газов; хорошая самовоспламеняемость в дизеле (цетановое число ЦЧ = 55...60 по сравнению с ЦЧ = 45...50 – для дизельного топлива).

Результаты моторных испытаний дизелей, работающих на диметиловом эфире, показали значительное уменьшение уровня вредных выбросов отработавших газов. Так, в 3...4 раза отмечено снижение окислов азота при бездымной работе двигателя на всех режимах. При работе на диметиловом эфире выявлено сохранение, а на некоторых режимах и улучшение до 5% экономичности дизеля, повышение его эффективного КПД по сравнению с работой на дизельном топливе.

Чтобы адаптировать обычные дизели для работы на диметиловом эфире, необходимо модернизировать существующую топливоподающую аппаратуру, направленную на увеличение объемной подачи топлива; принять меры, исключающие появление газообразной фазы в топливных магистралях и насосах; ввести элементы безопасности, заменить топливные баки на баллоны низкого давления, по конструкции аналогичные баллонам на автомобилях, работающих на сжиженном нефтяном газе.

ДМЭ – простейший эфир, нашедший применение в косметической промышленности в качестве газа-вытеснителя в аэрозольных баллонах благодаря благоприятным экологическим характеристикам. ДМЭ характеризуется коротким полупериодом жизни в тропосфере (менее одного дня), не поступает в стратосферу, полностью разлагается до воды и двуокиси углерода, нетоксичен, неканцерогенен, немутагенен. Он бесцветен, почти не имеет запаха и по внешнему виду напоминает воду. Диметиловый эфир – возобновляемое альтернативное топливо.

Схема переработки природного газа в ДМЭ и другие моторные топлива приведена на рис. 1.

В России и за рубежом накоплен немалый опыт работы дизеля как на химически чистом ДМЭ, так и на ДМЭ с примесями. При работе двигателя на полной нагрузке уровень вредных выбросов на «чистом» и «сыром» ДМЭ оказывается примерно одинаковым.

Из-за невысокой плотности и теплотворной способности, а также из-за низкой температуры кипения и вязкости ДМЭ традиционная топливная аппаратура дизелей требует определенной модернизации. В ней должно быть обеспечено герметичное уплотнение всех трубопроводов и, в том числе, гарантировано предотвращение потерь при испарении. Для преодоления одинакового расстояния емкость баллонов с ДМЭ должна быть в 1,7 раза больше, чем емкость баков дизельного топлива.

Помимо целого ряда преимуществ в физических, химических, экологических, экономических показателях, по эксплуатационным характеристикам ДМЭ во многом превосходит как другие альтернативные топлива, так и само дизельное топливо. Это связано, прежде всего, с повышением надежности работы двигателей, уменьшением их шумности и возможностью конвертирования обычных карбюраторных двигателей в дизели, работающие на ДМЭ.


 

Рисунок 1 – Схема переработки природного газа в моторное топливо


 

Таблица 6 – Сравнительные – теплофизические и моторные характеристики используемых и альтернативных видов топлива для дизелей Водород Н2     - -   0,082 -252,8 -   - 34,48 1,69 3,482  
Эфиры рапсового масла (РМЕ)   0,77 0,12 0,11 -     250..350 - 37,5 52..56 12,51 0,432 2,998 -
Диметиловый эфир (ДМЭ) СН3ОСН3   0,522 0,13 0,348 -     -25 410 (при 20°С) 27,6 >55 8,98 0,310 3,07  
Спирты низшие Этанол С2Н5ОН   0,522 0,13 0,348 -         26,9 (расчет) 8,98 0,332 2,995  
Метанол СН3ОН   0,375 0,125 0,5 -         19,6 (расчет) 6,465 0,254 3,03  
Сжиженный газ нефтяной (СНГ) Бутан С4Н10   0,828 0,172 - -     -0,6   45,75 (расчет) 15,45 0,550 2,96  
Пропан С3Н8   0,818 0,182 - -     -42   46,35 - 15,68 0,564 2,956  
Природный газ (метан CH4)   0,75 0,25 - -   0,66 -161,58 511 (t= -161,58 °С)   - 17,24 0,658 2,90  
Дизельное топливо ГОСТ 305-82 Зимнее 3   0,855 0,130 0,005 0,01     180..340 220..240 43,03 Не менее 45 14,51 0,500 2,966  
Летнее Л   0,865 0,120 0,005 0,01     180..360 42,8 14,41 0,498 2,97  
Показатели Массовые доли элементов: углерода gc водорода gH кислорода go серы gS Молярная масса µT, кг/кмоль Плотность р при 20° С, кг/м3г/м3 Нормальная температура кипения (пределы разгонки),° С Теплотапарообразования при р=0,1 МПа, кДж/кг Низшая теплота сгорания QH, МДж/кг Цетановое число (ЦЧ) 10, кг возд./кг топл. L0, кмоль возд./кмоль топл. Теплота сгорания стехиомет-рической смеси QH/l0, МДж/кг Температура самовоспламенения (при ρ=1 бар),0 С

Газообразное топливо

В Российской Федерации сосредоточено более 30% мировых запасов природного газа, а доля РФ в мировой добыче – более 27% и по расчетам в ближайшем будущем достигнет примерно 1000 млрд м3 в год. Основным топливом является природный (естественный) газ, компонентами которого главным образом являются парафиновые углеводороды. Состав природного газа зависит от типа месторождения: чисто газовое (СН4 – 95%, С2Н6 – 0,5%, С3Н8 и выше – 0,5%, С02 – 1,1%, N2 – 3%), газоконденсатное (СН4 ≈ 84%, С2Нб ≈ 4%, С3Н8 и выше примерно 5%; С02 ≈ 1,4%, Н2 ≈ 3%, N2≈3%), нефтяное – попутный газ (СН4≈42%, С2Нб≈21%, С3Н8 примерно 30%, N2 ≈ 7%).

Природный газ используют в сжатом и сжиженном виде (табл. 7). В качестве топлива используют также сжиженный пропан-бутановый газ (нефтяной) являющийся попутным продуктом нефтепереработки и находящийся при атмосферных условиях в жидком состоянии.

Единым нормативным документом на основные показатели газомоторного топлива является ГОСТ 27577-87, а также технические условия ТУ 38001302-87 на сжиженный газ. ВНИИГАЗ разработал ГОСТ «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания», где нормированы следующие показатели:

 

объемная теплота сгорания (низшая), кДж/м3 ………3180...3600

относительная плотность (к воздуху) ………………. 0,56...0,62

октановое число (ОЧ), не менее …………………...…105

 

По эксплуатационным свойствам природный газ может заменять даже высокооктановые бензины. Кроме того, существенно снижается эмиссия токсических выбросов с ОГ.

Недостатками газовых топлив являются: некоторое снижение (в отдельных случаях) мощности двигателей; затрудненный запуск при низких температурах; низкая объемная теплота сгорания и меньшая дальность пробега между заправками; замерзание рабочих узлов аппаратуры; повышенная пожаро-взрывоопасность и др. Примерный состав (в % по объему) ряда газовых топлив и их эксплуатационные показатели даны в табл. 7.


 

Таблица 7 – Важнейшие физико-химические свойства современных перспективных топлив Гидрид Mg2NlHx 1,76 - - -         Нормальные 0,5*** 14,4 7,2 * В сжатом виде. ** Получение из нефти прямой перегонкой. *** Получение конверсией угля в жидкое топливо и газ. **** Получение конверсией угля п синтез-газ. **** Оценка по теплоте образования и КПД получения водорода.  
Аммиак (жидкий) 0.71 -33,3 -77,7     2779,2     1,4 МПа/38° С 04***** 9,4 3,8
Этанол 0,79 78,37 -114,6     4769,6     Нормальные 0,75*** 10,3 7,7
Метанол 0,79 64,7 -97,8         5,0 Нормальные 0,66*** 12,1 8,0
Водород (жидкий) 0,07 -252,8 -259,1   28 160 1998,5   19,5 - 253 °С 0,5*** 10,2 5,1
Сжиженный газ 0,532 -42 -187 92,8 10 900 5 800   51,1   1,4 МПа/38° С 0,5*** 10,7 5,4
Природный газ 0,68·10-3 -162 -182 -   8,192   415* 37,2* - Нормальные 1,0 9,9 9,9
Бензин 0,7-0,8 35÷195 -(60-80) 69-73       53,1   Нормальные 0,83** 9,4 7,8
Характеристики Плотность при 15° С, г/см Температура кипения, 0 С Температура застывания, 0С Теплота испарения, ккал/кг Энергоемкость с учетом диссоциации, ккал/кг Энергоплотность с учетом диссоциации, ккал/л Энергоэквивалент 76 л бензина: объем топлива, л масса топлива, кг масса топлива и бака, кг ПДК паров, мг/мг3 Условия храпения КПД получения топлива КПД использования топлива, % Общий КПД топлива, %

Природный газ имеет минимальные значения кажущейся молекулярной массы µ и плотности , причем значения этих параметров меньше, чем у воздуха. Данными особенностями определяется в целом малая взрывоопасность природного газа, в частности, по сравнению со сжиженным (пропанобутановым) газом и даже с бензином [25].

Огромные запасы природного горючего газа в мире выдвигают проблему возможности использования его в качестве топлива в транспортных установках ДВСв том числе в судовых установках. Опыт эксплуатации показывает, что при работе на природном газе срок службы двигателя возрастает. Это обусловлено следующим:

1) при оптимальном составе рабочей газовой смеси процесс сгорания смеси в цилиндре двигателя протекает с малой скоростью нарастания давления;

2) при работе на газе не возникает нагарообразования на дизелях цилиндропоршневой группы;

3) в природном газе отсутствуют абразивные и сернистые соединения;

4) отсутствует непосредственное воздействие топлива на свойства
смазочного масла, подаваемого на стенки цилиндра.

Природный газ состоит преимущественно из метана.

В последние годы началось строительство газотанкеров – судов для перевозки сжиженного природного газа при низкой температуре (-162° С). Новым и перспективным направлением применения газовых двигателей является их установка в качестве главных и вспомогательных двигателей на газотанкерах. При этом газ может быть использован в качестве топлива для газовых двигателей судна.

Однако перевод транспорта на природный газ связан с решением сложных задач, наиболее значимыми из которых являются:

- серийное производство газобаллонных средств;

- организация широко разветвленной сети заправочных станций;

- организация производства надежного и недорогого оборудования для газобаллонных ДВС;

- создание сервисной службы для обслуживания газобаллонных;

- подготовка кадров и т.д.

Решение этих задач возможно при условии принятия соответствующих решений как федеральными, так и местными государственными органами.

Постоянно увеличивающееся применение таких топлив (назовем их перспективными топливами) связано как с удорожанием добычи нефти и истощением ее ресурсов, так и с ужесточающимися требованиями к показателям качества топлив. Дело в том, что совершенствование рабочего процесса и конструкции двигателей ведет к тому, что свойства топлив все в большей степени становятся «лимитирующим» фактором для выполнения жестких требований, предъявляемых к токсичности ОГ.

Согласно большинству прогнозов наряду с топливами из нефти в ПДВС во все возрастающем объеме будут использовать газовые топлива, искусственные (синтетические) топлива из угля и природного газа, эфиры растительных масел, низшие спирты и их эфиры и др. Вместе с тем доведение показателей качества искусственных топлив до уровня современных товарных топлив из нефти связано со значительным увеличением себестоимости производства. Поэтому при выборе перспективного топлива необходим компромисс между оптимизацией топлив по показателям качества как с точки зрения эффективности производства, так и с точки зрения эффективности их использования в двигателях с учетом более жестких ограничений по экологическим характеристикам.

Наиболее вероятно, что перспективные нефтяные топлива будут представлять собой углеводородную основу (производимую из нефти, угля, газа или растительного сырья) с добавлением различных компонентов (эфиры, спирты, специальные присадки и др.), обеспечивающих заданные показатели этих топлив.

Альтернативные топлива включают однокомпонентные топлива и топливные смеси. В первом случае топливо представляет собой компонентное целое с определенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, позволяющими осуществить его подачу с помощью обычной топливной аппаратуры – газовой или жидкостной. Эти топлива характеризуются более широкой сырьевой базой, а также улучшенными токсическими характеристиками и, в некоторых случаях, экономичностью процесса энергоиспользования в сравнении с обычным нефтяным топливом. Они могут использоваться в современных ДВС без их значительной модификации.

Топливные смеси представляют собой композиции, включающие традиционное топливо с добавкой одного или нескольких компонентов, улучшающих его энергоэкологические показатели. Это позволяет несколько расширить сырьевую базу энергоснабжения и, кроме того, улучшить токсические характеристики и топливную экономичность двигателей. По сравнению с однокомпонентными топливами их добавки являются частичным решением, которое, однако, может быть реализовано в ближайшее время на существующей технологической базе. Для использования некоторых топливных смесей, в частности двухфазных, требуется определенное усложнение топливной аппаратуры.

В число однокомпонентных альтернативных топлив входят:

1) углеводородные газы естественного происхождения - природные и сжиженные газы, а также метан. Эти топлива, некоторые из которых уже широко используются, позволяют расширить энергетическую базу двигателей и вместе с тем улучшить их токсические характеристики;

2) синтетические топлива (водород, различные спирты и аммиак), получаемые современными методами на базе различных компонентов горючих ископаемых;

3) продукты переработки масленичных культур (соевые масла, подсолнечные, рапсовые, хлопковые и др.). Эти масла перерабатываются в соответствующие эфиры, которые добавляют в нефтяные жидкие топлива, существенно улучшая их экологические характеристики, соответствующие нормам от ЕВРО-2 до ЕВРО-6.

Из топливных смесей для двигателей интерес представляют:

- смеси топлив с синтетическими спиртами и различными высокоэнергетическими и антидетонационными компонентами;

- водотопливные смеси в виде эмульсий различного типа, позволяющие уменьшить содержание окислов азота в отработавших газах. Применение некоторых эмульсий (типа «вода - масло») способствует улучшению сгорания топлива и некоторому повышению экономичности;

- продукты конверсии топлива, использующиеся в качестве добавок к топливу. Благодаря высоким технико-экономическим и энергетическим показателям частичная конверсия топлива – один из наиболее перспективных методов улучшения характеристик современных ДВС;

- добавки водорода к топливам, позволяющие радикально улучшить состав отработавших газов.

 

Газоконденсатное топливо

Потенциальным топливом для дизельных двигателей являются газовые конденсаты (ГК). Газовые конденсаты добывают из газоконденсатных, газоконденсатонефтяных и газонефтяных месторождений. Содержание связанной с ГК нефти достигает 20%. Газовые конденсаты являются побочным продуктом добычи природного газа. Содержание ГК в добываемом газе доходит до 200-500 г/м3, а по отдельным месторождениям – до 1100 г/м3. Как правило, с увеличением глубины залегания месторождения, содержание конденсата в газе возрастает. Получают ГК и на сепарационных установках газоперекачивающих станций при транспортировке природного газа по магистральным трубопроводам.

Углеводороды газоконденсатных месторождений находятся в многокомпонентной смеси, фазовые превращения которой достаточно сложны и зависят от давления, температуры и ряда других факторов. Повышение температуры и снижение давления способствуют переходу углеводородов этой смеси в газообразное состояние. Однако по известным давлению и температуре нельзя предсказать содержание конденсата в газе. Важным фактором, влияющим на содержание конденсата в газовой фазе, являются свойства самого конденсата: удельный вес, фракционный и групповой углеводородный составы (табл. 8). Наиболее значимые месторождения ГК в России сосредоточены в Западной Сибири (месторождения Уренгойское, Ямбургское, Заполярное, Юбилейное, Медвежье). Достаточно крупные месторождения ГК разведаны и осваиваются на Сахалине (месторождения Тунгор и Эрри), в Якутии (месторождение Мастахк), в Красноярском крае (месторождение Соленинское), в республике Коми (месторождения Вуктыльское, Лая-Вожское, Печеро-кожвинское), на Северном Кавказе, в Башкирии, в Краснодарском и Ставропольском краях, в Астраханской, Оренбургской и Волгогоалской областях.

Доставка традиционных моторных топлив в отдаленные регионы страны представляется нецелесообразной, поскольку дизельные двигатели с успехом эксплуатируются на газоконденсатных топливах. Таким образом, газовые конденсаты, являющиеся сырьем для производства моторных топлив, могут быть использованы для удовлетворения местных потребностей в энергоносителях.

Газовые конденсаты используется как альтернативное сырье для получения моторных топлив, в первую очередь, в отдаленных и труднодоступных регионах. При этом ГК могут применяться либо как самостоятельное топливо, либо как компонент дизельного топлива. Иногда ГК добавляют в нефть до переработки. Однако наиболее эффективными является непосредственное применение газового конденсата в качестве дизельного топлива или при его смешении с товарными дизельными топливами по ГОСТ 305-82. Это связано с тем, что свойства многих газовых конденсатов близки к свойствам топлив широкого фракционного состава.

Газовые конденсаты представляют собой смесь различных углеводородных фракций, выкипающих в широких температурных пределах. При этом фракции, содержащиеся в газовых конденсатах, близки к бензиновым, лигроиновым и газойлевым фракциям нефти. Поэтому по своему составу и свойствам ГК весьма разнообразны. Они могут иметь как облегченный фракционный состав, так и широкий фракционный.

В целом можно отметить, что в России преобладающими являются ГК парафино-нафтенового основания, содержащие 50-70% парафинов, 20-40% нафтенов и 10-20% ароматических углеводородов. Конденсаты крайнего Севера и Сибири, как правило, имеют малое содержание углеводородов ароматического ряда, что благоприятно сказывается на экологических показателях дизелей, работающих на этих топливах. Повышенное содержание нафтеновых углеводородов в ГК Сибири и Севера улучшает низкотемпературные свойства топлив - снижает температуры помутнения и застывания.

В табл. 8 представлены физико-химические свойства ряда крупных месторождений газовых конденсатов России, из которых возможно получение топлив для дизелей. По фракционному составу наиболее близким к дизельным топливам является конденсат месторождения Медвежье (табл. 8). Остальные ГК имеют облегченный фракционный состав, что может привести к необходимости изменения регулировок дизеля, работающего на этих топливах. Приблизить свойства этих ГК к свойства дизельного топлива можно путем их смешивания в требуемых пропорциях.



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-01-24; просмотров: 521; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 54.163.62.42 (0.08 с.)