Огляд методів отримання генераторного газу, який не містить інертних компонентів

Двигуни, які працюють на генераторному газі, розвивають потужність, що складає лише 60 % від потужності бензинових аналогів. Як наслідок, значно погіршуються тягово-швидкісні властивості газогенераторних автомобілів. Було визначено, що головною причиною зменшення потужності є понижена теплотвірна здатність генераторного газу, у порівнянні із бензином. Тому, було запропоновано підвищити теплотвірність газового палива, шляхом видалення із його складу інертних компонентів, а саме азоту і вуглекислого газу, які займають більшу половину від всього об’єму виробленого газу. Крім того, була сформульована ідея стаціонарного виробництва генераторного газу. Вона передбачає виробництво, очищення, охолодження та накопичення генераторного газу у ємності. Компонування автомобіля при цьому переходить від класичного газогенераторного до газобалонного. Тому за умов, коли інертні N2 і СО2 не будуть видалені із генераторного газу, його накопичення у ємностях буде недоцільним із тієї причини, що половина стисненого газу буде «мертвим баластом» на борту автомобіля. Окрім пониження потужності двигуна, при роботі на газу із малою теплотвірною здатністю, ми ще отримаємо і значно обмежений запас ходу автомобіля. Тому виробництво генераторного газу, який не містить у своєму складі інертних компонентів, є основною задачею, яка ставиться у даному розділі.

При розгляді даної проблеми, було визначено два напрямки її розв’язання:

1. відокремлення інертних компонентів із готового генераторного газу;

2. виробництво генераторного газу, який містить мінімальну кількість інертних складових.

Відокремлення компонентів із газової суміші може здійснюватись за рахунок фізичних або хімічних властивостей речовин, що входять до цієї суміші. Деякі важливі фізичні властивості складових газової суміші наведені у табл. Таблиця 2.12.

Таблиця 2.12

Компонент суміші	Молярна маса, г/моль	Густина (за н.у.), кг/	Розмір молекули, нм	Температура кипіння, ºС	Температура плавлення, ºС
Азот (N2)		1,25	0,32	196	210
Діоксид вуглецю (СО2)		1,977	0,33	57	78
Монооксид вуглецю (СО)		1,25	0,32	191,5	205
Водень (Н2)		0,0898	0,25	253	259
Кисень (О2)		1,43	0,3	183	218

 

Відомо, що переважна більшість фізичних методів відокремлення однієї речовини від іншої у газовому (рідинному) середовищі базуються на різниці значень фізичних властивостей речовин. Такі методи як відстоювання або адсорбційне фільтрування працюють відповідно за рахунок різниці густин та розмірів молекул відокремлюваних речовин. За даними табл. Таблиця 2.12 молярна маса, густина та розмір молекул азоту, як основного інертного газу, і монооксиду вуглецю, як основного горючого компоненту, однакові. Температури кипіння обох газів досить низькі, тобто процес зрідження газу із більшою температурою кипіння (СО) досить енергоємний і складний. Із цього робимо висновок, що для видалення азоту із суміші газів фізичні методи практично непридатні або їх застосування потребує складної апаратури і великих енергозатрат.

Видалення азоту із газової суміші хімічними методами є теж складним, тому що атоми у молекулі азоту мають міцний потрійний ковалентний зв'язок, і, як наслідок, молекула азоту у більшості випадків є хімічно нейтральною. Крім того, преважна більшість азотовмісних сполук є токсичними речовинами, тому утилізація продуктів хімічного очищення потребуватиме ще більших затрат і ускладнення технології.

Вуглекислий газ за своїми фізичними властивостями дещо відрізняється від монооксиду вуглецю, і теоретично можливе застосування фізичних методів очищення, таких як адсорбція, відстоювання чи зрідження, для відділення діоксиду вуглецю від монооксиду. Проте за простотою і вартістю процесу вони поступаються хімічному методу.

Хімічний метод видалення вуглекислого газу із газової суміші базується на хімічній реакції, яка проходить між,власне, діоксидом вуглецю і вапняною водою:

СО2 + Са(ОН)2 → СаСО3↓ + Н2О (1)

 

Реакція проходить за нормальних умов і без каталізаторів. Продуктами реакції є хімічно нейтральні карбонат кальцію і вода. Крім того, карбонат кальцію після проведення кількох простих реакцій можна використовувати як сировину для добування вапняної води:

 

СаСО3 → СаО + СО2↑ (2)

СаО + Н2О → Са(ОН)2 (3)

 

Реакція (2) проходить при нагріванні (випалювання вапняку), а у ході реакції (3) виділяється теплота (гасіння вапна).

Видалення азоту із газової суміші є дуже складним процесом і застосування його в умовах даного виробництва є недоцільним.

До генераторного газу азот потрапляє із повітря, яким здійснюється наддув у активну зону газогенератора. Кисень повітря використовується для окиснення палива, а азот, як досить інертний газ, не бере участі у процесі генерації, і разом із утвореними горючими компонентами, окрім вуглекислого газу, транспортується на вихід із газогенератора. Для того щоб азот не входив до складу генераторного газу потрібно повітря замінити на інший вид окисника. У ролі окисника може слугувати цілий ряд хімічних речовин, проте найдоступнішими із них є водяна пара чи кисень. При використанні води у якості окисника у результаті газифікації отримується водяний газ:

 

Н2О + С → СО↑ + Н2↑ (4)

 

який має наступний склад по об’єму: монооксид вуглецю 44%, водень 45%, вуглекислий газ 5%, азот 6%. Присутність невеликої кількості азоту у водяному газі спричинена циклічною роботою газогенератора. Виробництво водяного газу досить складний процес, який потребує спеціально обладнаного газогенератора та систему автоматичного керування.

Отримати генераторний газ із мінімальною кількістю азоту, при цьому значно не ускладнюючи конструкцію, можливо шляхом використання чистого кисню (90 – 95%) у якості окисника. Все ж інше обладнання, яке використовувалось при окисненні киснем повітря залишається незмінним. При цьому є два варіанти вибору джерела кисню: стиснений кисень у балонах та використання кисневого генератора. Із точки зору технології виробництва та охорони праці на виробництві, використання стисненого у балонах кисню не забезпечить якісне керування робочими процесами, та і сам процес виробництва зробить значно небезпечнішим. Альтернативним варіантом є використання кисневого генератора високої продуктивності у якості джерела кисню.

Електричний привод

Широкого застосування електромобілів з акумуляторами очікувати важко через недостатню кількість електроенергії, необхідної для зарядки, тому що потужність всіх електростанцій на порядок менше потужності двигунів, установлених на транспортних засобах.

Електромобілі застосовуються для доставки дрібних вантажів у містах або для спеціального призначення. Однак, на даний момент їх собівартість занадто велика. У більшості з них застосовуються свинцеві акумулятори, що обмежує їхній запас ходу й збільшує масу автомобіля, знижуючи його динаміку. Електромобілі емітують менше забруднюючих речовин, чим двигуни, що живляться іншими паливами. Емісія токсичних компонентів значно знижується, якщо електричну енергію виробляти на водяних, вітрових або атомних електростанціях.

ДОДАТИ

Гібридний привод

Гібридні електричні автомобілі також можливі в експлуатації. Такі автомобілі оснащені маленьким двигуном внутрішнього згоряння, що працює з максимальною ефективністю при мінімальній емісії, і джерелом електричної енергії (генератором). За допомогою генератора заряджаються батареї.

Собівартість електромобілів приблизно на 50% вище, ніж із традиційним приводом.

ДОДАТИ

Водневе паливо

З погляду енергоємності, а також емісії токсичних компонентів у відпрацьованих газах, водень є найкращим із всіх можливих палив. Молекула водню – найпростіша за структурою й під час її окислювання виникає вода, саме "м'яка" речовина, що втримується в відпрацьованих газах. Однак азот, що міститься в повітрі служить причиною виникнення NО_x у двигунах, що працюють на водні. Моторна олива, що попадає в камеру згоряння, є джерелом НС у випускних газах і СО у невеликих кількостях. Водень можна зберігати у вигляді гідридів металів, але навіть застосовуючи цю технологію, кількість розташовуваного на автомобілі водню значно менше, ніж бензину, ЗНГ або навіть СНГ.

Імовірно, найбільший потенціал, пов'язаний із застосуванням водню як автомобільного палива міститься в паливних елементах. Водень у сполуці з киснем (повітря) застосовується для генерації електричного струму в паливному елементі. Цю енергію можна застосовувати для живлення автомобіля. Паливні елементи можуть замінити батареї в типових електромобілях і таким чином вирішити найбільшу проблему пов'язану з живленням автомобілів електричним струмом – акумуляторну батарею. Емісія водневих двигунів низька, тому можна їх застосовувати в автомобілях і пристроях спеціального призначення, наприклад, у шахтах. Нижня межа теплотворної здатності водню дорівнює 120 МДж/кг і приблизно в три рази більше, ніж у бензину. Двигуни, що працюють на водневому паливі, повинні мати к.к.д. вище, ніж двигуни з ZI або з ZS. Проблеми, що виникають при застосуванні водню як автомобільного паливо, не пов'язані з ефективністю або емісією токсичних компонентів відпрацьованих газів, а зв'язані з розподілом, зберіганням (на заправних станціях й в автомобілях), а також з безпекою. Водень можна одержати в результаті електролізу води, для чого необхідна витрата великої кількості енергії. Можливо також його одержання з біомаси, у результаті гідрування вугілля, часткового окислювання вуглеводневого палива, а також застосовуючи сонячну енергію. Собівартість цих методів, у перерахуванні на енергетичну одиницю, в 2-10 разів вище, ніж одержання природного газу.

ДОДАТИ ПЕ