Общие сведения об альтернативных топливах

Традиционно топливо нефтяное для дизелей вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти с добавлением легкого газойля каталитического крекинга. Дизельные топлива могут включать следующие группы углеводородов, % (об.): нормальные парафиновые – 5...30, изопарафиновые – 18...46, нафтеновые – 23...60, ароматические – 14...35.

По ГОСТ 305–82 вырабатывают три сорта дизельного топлива (табл. 3): «Л» (летние) – для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0 °С и выше, с температурой конца кипения не выше 360 °С; «З»(зимние) – для эксплуатации при температуре - 20 °С и выше (температура застывания не выше -35 °С); «А» (арктические) – для температуры окружающего воздуха – 50 °С и выше (табл. 3). Содержание серы в дизельном топливе марок Л и 3 не должно превышать 0,2% для вида I и 0,5% - для вида II, а марки А – 0,4%. Вырабатывают также дизельные экспортные топлива ДЛЭ и ДЗЭ с содержанием серы 0,05%.

Производство дизельного топлива в РФ в последние годы составляет – 46...47 млн.т/год, из них топлива с содержанием серы S ≤ 0.20% – более 80%.

Как правило, все типы дизелей (судовые, тепловозные, автотракторные, дизели специального назначения и др.) проектируют на использование топлив (ГОСТ 305-82).

Увеличение выпуска дизельных топлив возможно как путем повышения (топлива утяжеленного фракционного состава УФС), так и путем одновременного повышения и снижения температуры начала кипения t_нк (топлива расширенного фракционного состава РФС). Топлива типа УФС используют в качестве летних.

С 1991 г. осуществляется производство экологически чистого дизельного топлива по ТУ 38.1011348–89летнего (ДЛЭч-В и ДЛЭч) и зимнего (ДЗЭч) с содержанием серы до 0,05% (вид I) и 0,1% (вид II)и содержанием ароматических углеводородов не более 20% (ДЛЭч-В) и не более 10% (ДЛЭч). Кроме того, осуществляется выпуск городского дизельного топлива для использования в Москве.

В городское топливо дополнительно добавляют присадки: летом – антидымную (на основе бария), зимой – антидымную и депрессорную (улучшающую низкотемпературные свойства).

Однако постоянное ужесточение норм на содержание токсичных веществ в отработавших газах (ОГ) и, одновременно, повышение требований по улучшению топливной экономичности стимулируют исследования по созданию принципиально новых двигателей, отвечающих самым жестким мировым стандартам с одновременным улучшением качества моторных топлив, также отвечающих современным и перспективный требованиям по эксплуатационным и экологическим показателям.

Таблица 3 – Характеристики сортов дизельного топлива

Показатели	Норма для марок (по ГОСТ 305–82)
Л		А
Цетановое число, не менее
Фракционный состав:
50% перегоняется при температуре, °С, не выше
90% перегоняется при температуре (гонец перегонки), °С, не выше
Кинематическая вязкость, при 20 °С, мм^2/с	3...6	1,8... 5	1,5...4
Температура застывания, °С, не выше для
климатической зоны:
умеренной	-10	-35	-
холодной	-	-45	-55
Температура помутнения, °С, не выше для
климатической зоны:
умеренной	-5	-25	-
холодной	-	-35	-
Температура вспышки в закрытом тигле,
°С, не ниже:
для тепловозных и судовых дизелей и газовых
турбин
для дизелей общего назначения
Массовая доля серы, %, не более:
вид 1	0,20	0,20	0,20
вид 2	0,50	0,50	0,40
Плотность при 20 °С, кг/м^3, не более

 

Наряду с внедрением вторичных процессов переработки нефти (алкилирование, изомеризация и др.), позволяющих улучшить качество моторных топлив, значительное внимание уделяется разработке различных присадок и добавок, придающих моторным топливам такие свойства, в том числе экологические, которые принципиально не могут быть достигнуты технологическими процессами производства топлив.

Вместе с тем эти факторы – необходимость экономии нефтяных ресурсов и улучшение эксплуатационных и особенно экологических свойств топлив – обусловливают поиски эффективных способов получения и использования заменителей нефтяных топлив для ДВС, получивших общее название альтернативных.

К альтернативным топливам в настоящее время относят:

1.Природный газ: метан (СН₄);

2. Сжатый природный газ (КПГ);

3. Сжиженный природный газ (СПГ – пропан, бутан);

4. Сжиженный нефтяной газ (СНГ);

5. Синтетическое жидкое топливо из углей (СЖТ);

6. Диметиловый эфир (ДМЭ – СН₃ОСН₃) из природного газа, углей и др. ресурсов;

7. Биодизельное топливо (смеси дизельных нефтяных топлив и масел из растительных масличных культур: рапс, подсолнечник, соя, арахис, хлопок, кукуруза и др., эфиров таких масел);

8. Газовые конденсаты (ГК);

9. Жидкий аммиак (NH₃);

10. Синтетические спирты (метанол, этанол);

11. Водород (Н₂): жидкий, газообразный;

12. Дисперсные топливные системы (ДТС): водотопливные эмульсии (ВТЭ), водомазутные эмульсии (ВМЭ), топливно-угольные смеси (ТУС) и др.

 

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/м^3
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/м^3г/м^3	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%, С₂Н_б ≈ 4%, С₃Н₈ и выше примерно 5%; С0₂ ≈ 1,4%, Н₂ ≈ 3%, N₂≈3%), нефтяное – попутный газ (СН₄≈42%, С₂Н_б≈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/мг^3	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.

Показатели	Месторождения
Урен- гойское	Юби- лейное	Медвежье	Новопор- товское	Соленин- ское	Вуктыль ское	Лая- Вожское
Температура перегонки топлива, °С: начало 10% топлива 50% топлива 90% топлива 96% топлива		- - -		- -		- -	- -
Плотность при 20°С, кг/м^3		779,8				776,4	787,2
Вязкость кинематическая при 20°С, мм^2/с, не менее	1,17	1,054	5,14	-	1,17	1,35	1,68
Цетановое число		38,5		-			52,2
Температура застывания, °С	-70	-76	-68	-	-75	-55	-60
Температура помутнения, °С	-	-	-	-	_	-30	-30
Содержание серы,%, масс.	0,01	0,002	0,012	0,1	0,012	0,031	0,01

Таблица 8 – Физико-химические свойства газовых конденсатов, используемых для получения топлив для дизелей

 

Жидкое топливо из углей

В качестве одного из наиболее перспективных сырьевых ресурсов рассматривается каменный уголь. По энергосодержанию его геологические запасы (без учета торфа и сланцев) в 14 раз превышают запасы нефти и газа, вместе взятых. В работе [40] указывается, что актуальность проблемы использования в том или ином виде угля в качестве топлива для дизелей связано, прежде всего, с прогнозируемым истощением нефтяных месторождений в ближайшие 30 лет, в то время как запасы угля, в частности в США, достаточны еще на 200 лет. Стоимость добычи каменного угля открытым способом значительно ниже, чем добыча нефти и природного газа. Кроме того, нефть и газ являются ценным сырьем для нефтехимической и газохимической промышленности. Поэтому использование в дизельных двигателях топлив из каменного угля является предпочтительным.

После второй мировой войны делались неоднократные попытки использования в качестве топлива угля в виде пыли, в ее смеси с дизельным топливом, водой и спиртами, а также газовых и жидких топлив, получаемых различными методами из угля. Особенностям работы дизелей на угольных порошках, водоугольных и топливоугольных суспензиях посвящены работы [25,40,50]. Но наиболее перспективными топливами для судовых дизелей являются синтетические жидкие топлива (СЖТ) из каменного угля (табл. 9).

Разработаны различные технологии переработки углей в жидкие топлива. Так, разработано топливо SCR-II, полученное путем ожижения каменного угля в селективных растворителях. Особенности работы дизелей на этом топливе рассмотрены в работах [25,40]. Эта технология является переходной от технологий получения топливоугольных суспензий к современным технологиям получения синтетических топлив из угля. В настоящее время наибольшее практическое применение нашли методы сжижения угля, разработанные с использованием процесса Фишера-Тропша (в ЮАР, США, Китае и др.).

В последнее время проводятся многочисленные исследования по совершенствованию технологии процессов ожижения угля с целью получения СЖТ, которые по своим физико-химическим свойствам были сопоставимы с традиционными нефтяными моторными топливами и могли конкурировать с ними по своим стоимостным показателям. Достигнутые в этой области результаты позволили наладить ряд опытных производств СЖТ из угля. В некоторых странах (в частности, в США, Германии) введены в эксплуатацию предприятия по их производству, работающие по практически безотходной технологии [40].

Процессы, используемые для получения СЖТ из угля, обычно протекают в присутствии кат