Способы получения альтернативных топлив

Способы получения альтернативных топлив

Главной отличительной особенностью альтернативных моторных топлив является использование для их производства не нефтяного сырья. Таким сырьем являются природный газ, уголь и биомасса (рис. 1).

Из природного газа топливо для автомобилей может быть получено тремя различными способами. Простейшим способом является сжатие газа до давления 20… 25 МПа для обеспечения приемлемого запаса хода автомобиля. Сжатие природного газа осуществляется с помощью стационарных или передвижных компрессорных станций. Природный газ может использоваться и в жидком виде. Сжижение газа осуществляется на холодильных установках путем его глубокого охлаждения до —162 °С. Наконец, с помощью специальных химических процессов конверсии и синтеза из природного газа могут быть получены жидкие углеводороды или метанол (метиловый спирт), используемые в качестве моторных топлив.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Производство моторных топлив из угля включает следующие основные стадии: подготовка твердого сырья к переработке (сушка, дробление, фракционирование, отделение углеводородной части, очистка и др.), газификация или гидрогенизация и переработка получаемых продуктов в топливо.

В процессе газификации из угля получают газообразную смесь, из которой затем с помощью химических реакций синтеза в присутствии катализаторов могут быть получены жидкие углеводороды или метанол. По такой схеме на заводе фирмы «Сасол» ( ЮАР ) ежегодно производится около 4 млн. т бензинов и дизельных топлив. На получение каждой тонны моторных топлив расходуется около 6…7 т угля.

Более перспективным способом является каталитическая гидрогенизация. Этот способ основан на взаимодействии органической части угля с водородом при высоких давлениях и температурах в присутствии катализатора. В результате получается синтетическая нефть, из которой с помощью известных процессов нефтепереработки могут быть выработаны различные моторные топлива. Из 3 т угля получается 1 т синтетической нефти.

Наиболее распространенным способом получения моторных топлив из возобновляемого растительного сырья — биомассы — является ферментация (брожение). В процессе брожения получают жидкую смесь, содержащую значительное количество этанола (этилового спирта) и воды. После очистки и удаления воды этот продукт может использоваться самостоятельно в качестве моторного топлива либо добавляться к обычным нефтяным топли-вам.

Одним из видов альтернативных топлив является сжиженный пропан-бутановый газ. Это топливо получают выделением смеси пропана и бутана из попутного нефтяного, природного и нефтезаводского газов с помощью методов умеренного охлаждения и газофракционирования. Промышленные установки газофракционирования обычно включают ректификационные колонны для разделения сырья—углеводородной смеси на пропан-бутано-вую фракцию, смесь более тяжелых углеводородов и др.

Автомобильным топливом будущего называют водород. В больших количествах водород может быть получен из воды с помощью электролиза, однако пока этот процесс требует больших затрат электроэнергии и связан с высокой стоимостью получаемого водорода.

Источник

Альтернативное топливо для автомобилей

Дата публикации: 31 августа 2015

В данной статье рассмотрена целесообразность использования различных видов
альтернативного моторного топлива в России. Это различные спирты, водород, этанол, метанол, рапсовое масло, биогаз и др. Приведены состав и отличительные особенности альтернативных топлив. Среди этих топлив стоит выделить биогаз. Биогаз является альтернативным источником энергии, в настоящее время его так же можно использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Сейчас в большинстве стран мира решается задача поиска заменителей топлива нефтяного происхождения, запасы которого резко сокращаются, а потребности в топливе растут. В последние время потребление углеводородных топлив в общем энергетическом балансе мира увеличилось в 4,2 раза.

Решение проблемы значительного сокращения потребления моторного топлива автомобилями, за счет совершенствования рабочего цикла ДВС, вряд ли может быть достигнуто. Это связано с тем, что известные способы улучшения экономичности, такие как совершенствование топливных систем и систем зажигания, в том числе применение микропроцессорных систем управления двигателем (МСУД), управление процессом газообмена, применение наддува, рециркуляция отработавших газов, недостаточно эффективны для кардинального решения проблемы.

Применение альтернативных топлив может значительно помочь решению этой задачи, а также в решении проблемы загрязнения автомобилями окружающей среды. В связи с этим во всех промышленно развитых странах мира широко развернуты работы по поиску эффективных заменителей топлив нефтяного происхождения. Несколько программ перевода ДВС на альтернативные топлива разрабатываются в США. Так, в начале 2003 г. более чем 520 тыс. автомобилей в США работали на этаноле, метаноле и биогазе, в Швеции начался выпуск автомобиля Volvo S80 BiFuel, который работает как на бензине, так и на биогазе. Но наибольших успехов в этом направлении достиг Китай, где 80% сельских и 60% городских перевозок осуществляются на биогазе. Кроме того, Китай экспортирует специальные ДВС, работающих на биогазе, в 20 стран мира.

Анализируя состояние с моторными топливами, делаем вывод, что такими топливами уже в ближайшее время могут быть: этанол, метанол, рапсовое масло, биогаз.

Все альтернативные топлива можно классифицировать по следующим признакам:

• по составу — углеводородные, углеводно-кислотные спирты, водородные, спирты, угольный порошок и др.;
• по агрегатному состоянию — жидкие, газообразные, твердые, смешанные;
• по калорийности — высококалорийные, среднекалорийные, низкокалорийные;
• по способу применения — в виде добавок к нефтяным топливам;
• по источникам сырья — полученные из угля, торфа, сланцев, биомассы, воды и др.;
• по технологическим процессам получения — пиролиз, гидрогенизация, каталитическая конверсия, газификация, электролиз и др.

Применение альтернативных топлив осуществляется в двух вариантах:

• частичная замена, то есть применение в качестве добавок;
• полная замена основного топлива.

В ряде стран уже широко используются добавки спиртов к бензину, что позволяет значительно уменьшить потребление последнего. Проводятся исследования по производству синтетических бензинов из угля, сланцев и нефтяных песков, проводится также исследование возможности использования в качестве топлива смеси бензина с 15 % метанола и 7 % изобутилового спирта, добавляется в качестве стабилизатора.

Перспективным считается применение метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в качестве присадки к бензину вместо токсического тетраэтилсвинца. Несмотря на то, что теоретически и экспериментально доказана целесообразность использования в качестве моторного топлива водорода, он пока дорог. Кроме того, не до конца решена проблема его рационального хранения на борту автомобиля.

Газовые топлива первыми получили распространение как моторные топлива, составляющих альтернативу традиционным. Известно несколько видов альтернативных топлив, которые можно и целесообразно использовать в России как автомобильные топлива, а именно: нефтяной газ, природный газ, генераторный газ, водород, биогаз, этанол и рапсовое масло.

Свойства наиболее перспективных альтернативных топлив

Нефтяной газ (бутан-пропановая смесь) используется преимущественно в сжиженном состоянии (СНГ). Ее октановое число составляет 90-100 ед., низшая теплота сгорания 24800 кДж/кг. Применение ее вместо бензина значительно уменьшает содержание вредных веществ в ОГ автомобиля СО — в 2 раза, CnHn — в 1,3…1,9 раза, NOx — в 1,2 раза.

Природный газ достаточно популярен. Автомобилестроители уже разработали и построили значительное количество автомобилей, работающих на природном газе. Это объясняется, прежде всего, тем, что современные ДВС для перевода на природный газ требуют лишь небольшие конструктивные изменения в системе питания топливом, в установке угла опережения зажигания и в системе смазки. Для обеспечения достаточного запаса газа на борту автомобиля он предварительно должен быть компринован (КПГ) или сжиженным (СПГ). Октановое число природного газа составляет 100-110 единиц, низшая теплота сгорания — 32-36 мДж/кг. При эксплуатации двигателей на природном газе существенно уменьшается токсичность по СО — в 4-6 раз, по CnHn — в 1,3-1,9 раза, по NOx — в 1,3 раза; в газодизеле — дымность на 50-70 % меньше, чем в дизелях, содержание канцерогенных веществ уменьшается в 5-7,5 раз, NOx остается на том же уровне, что и в дизеле, но в газодизеле больше выбросов CnHn и альдегидов.

Необходимость быстрого перехода на газовые альтернативные топлива, связана с переоборудованием топливной аппаратуры существующих транспортных средств (ТС), которая дает возможность работать на двух видах топлива — бензине и газе (в зависимости от их наличия). Но при этом ухудшаются энергетические показатели ТС на 15-20%. Для сокращения таких расходов необходимо изготавливать ДВС, предназначенные только для газового топлива.

Во многих странах мира (США, Канада, Новая Зеландия, Аргентина, Нидерланды, Франция, Китай и др.) перевод ТС на работу на газовом топливе поднят до ранга государственной политики как путь к экологизации автотранспорта. Для этого разработаны и внедряются нормативно-законодательные базы: ценовая, налоговая, тарифная, кредитная. Такая политика дает ощутимые результаты. Так, в Нидерландах 50 %, в Италии — более 20%, в Австрии — 95 %, в Дании — 87 % автобусного парка работает на газовом топливе. США планируют в 2010 году довести использование природного газа на ТС до 57 %, а пропан-бутановой смеси — до 31 %.

Генераторный газ или синтез-газ (ГГ). Его получают на борту транспортного средства в реакторе (генераторе) в результате преобразования в газовое состояние твердого топлива: древесного угля, каменного угля, торфа, древесины и др. Состоит из 50 % водорода и 50 % оксида углерода. Отличительной особенностью его является то, что его получают из возобновляемых источников энергии, а для его хранения на борту ТС требуются значительно меньшие емкости, что значительно увеличивает грузоподъемность этого ТС. Для продуцирования ГГ на борту ТС привлекается энергия системы охлаждения, которая в обычном ТС рассеивается в окружающую среду, то есть уменьшается тепловое загрязнение атмосферы и частично утилизируется теплота сгорания.

По сравнению с природным газом ГГ сгорает медленнее и имеет более низкую теплоту сгорания 16,8…21,0 мДж/кг. Его октановое число составляет 90-95 единиц, т.е. работа на нем связана с крупнейшими потерями технико-экономических показателей ДВС.

Водород — наиболее экологически чистое топливо с неограниченными запасами в природе. Н2 входит в состав 90% компонентов, имеющихся в окружающей среде, и более, чем в треть компонентов на поверхности земли. Его основные недостатки в качестве топлива при применении на ТС: высокая энергия, которая нужна для его сжатия, и очень низкая удельная энергоемкость. Есть проблемы и с хранением его на борту автомобиля, особенно в криогенных баках, но главная проблема — высокая стоимость его получения.

Более перспективным является применение водорода на ТС в виде топливных элементов, особенно с применением протонных обменных мембран (Proton exchange membrane). Первые автомобили с топливными элементами уже продемонстрировали фирмы Toyota, Honda, Volkswagen, BMW, Nissan, Hyundai, но для наладки их промышленного производства требуется время.

Биогаз — сравнительно новое, перспективное, экологически чистое и экономически выгодное моторное топливо для транспортных установок. По данным шведских и швейцарских ученых, биогаз на 75% чище дизельного топлива и на 50 % чище бензина.

В состав биогаза входит метан СН4 (60-70%), диоксид углерода СО2 (до 30%), а также в малых количествах оксид углерода СО, водород Н2, азот N2, кислород О2, воздух, водяной пар Н2О, и сернистый водород Н2S.

Перед применением в ДВС биогаз лучше подвергать обогащению до уровня метана 95%, очистке, сушке и компримировать. Энергетический эквивалент биогаза составляет 9-10 (кВт•ч/м3). Физико-химические и экологические свойства обогащенного и очищенного биогаза и природного газа практически идентичны, поэтому для них может применяться одна и та топливная аппаратура. Есть только одно отличие между природным газом и биогазом: при сгорании последнего в атмосферу выбрасывается такое же количество СО2, которое было из него удалено при переработке. Еще биогаз считается абсолютно сбалансированным биологическим топливом.

Согласно европейским планам, биогаз будет использоваться прежде всего на автотранспорте, который обслуживает сельские и пригородные районы. Кстати, в Западной Европе биогазом уже отапливается не менее половины птицеферм, причем сырьем для отопительных установок являются обычные отходы тех же птицеферм. Благодаря биогазу потребности западноевропейского животноводства в топливе за последние десять лет сократились более чем на треть.

Лидером по использованию биогаза является Китай, который еще в 70-е годы XX в. совершил «большой биогазовый скачок», в результате которого более 60% всего автобусного парка страны, в том числе в сельской местности, сейчас работает на биогазе. Производство биогазовых двигателей в Китае к концу 80-х годов XX в. было засекречено. Сейчас Китай экспортирует их более чем в 20 стран мира.

Ученые подсчитали, что только в мировом сельском хозяйстве накапливается столько отходов, что их энергопотенциал может дважды покрыть общемировой спрос на энергию.

Этанол — одно из наиболее практичных альтернативных топлив. Чистый этанол или смеси этанола и бензина могут применяться в ДВС, предназначенных для работы на бензинах, например Chevrolet Suburban/Tahoe, GMC Wicon и др. В США сейчас объем потребления этанола и бензиновой смеси составляет до 10 % от общего объема использования бензина.

Главные преимущества топлива на базе этанола: во-первых, при сгорании образуется меньше токсичных веществ, во-вторых, при сгорании снижается содержание озона в воздухе. Недостатками этанола в качестве моторного топлива является его низкая энергоемкость, более высокая стоимость по сравнению с бензином и меньшая продолжительность пробега на одной заправке.

Наконец, рапсовое масло. Среди стран Европы рапсу уделяют наибольшее внимание Германия, Франция, Бельгия, Италия, Польша. При сгорании топлива из рапсового масла выхлопные газы содержат на 20-25% меньше вредных веществ, значительно меньше серы, а круговорот СО2 значительно уменьшает угрозу парникового эффекта.

Свойства МЭСМ (метиловые эфиры соевого масла) отличаются от аналогичных свойств дизельного топлива (меньшее значение Hu, большие плотность, коэффициент поверхностного натяжения и проч.). Поэтому для эффективного использования МЭСМ в качестве биотоплива необходимо изменить некоторые конструктивные и регулировочные параметры дизеля.

Л.Б. Ларионов, П.А. Болоев, Н.В. Степанов
Материалы IV международной научно-практической конференции
КЛИМАТ, ЭКОЛОГИЯ, СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО ЕВРАЗИИ

Источник