< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Нові екологічно безпечні транспортні технології

Використання альтернативних палив

Перспективним напрямом в боротьбі за зменшення токсичності відпрацьованих газів ДВЗ та збереження ресурсів є перехід до альтернативних палив, які, в основному, не є продуктами переробки нафти. У наш час існує велика кількість замінників нафтових палив для автомобілів. У загальній класифікації альтернативні палива розподіляють на такі групи:

  • • видобувні та супутні газоподібні палива;
  • • синтезовані та гідролізні альтернативні палива;
  • • палива, отримані з відновлювальних ресурсів;
  • • радіаційні, нафтові та палива з добавками.

Доцільність та перспективність, впровадження кожного виду палива оцінюється за техніко-економічними показниками видобування або отримування палива, витратами на транспортування та зберігання, наявністю ресурсів, технологічністю, екологічними показниками та ін. Але переважаючими для визначення доцільності використання різних палив стають зараз саме екологічні показники.

Через дефіцит рідкого палива нафтового походження та зростаючі труднощі у видобутку нафти, а також з метою зменшення забруднення довкілля шкідливими речовинами у наш час здійснюється інтенсивне переведення ДВЗ різного призначення на живлення газоподібним паливом. Найбільш реальними для широкого вжитку є стиснений природний газ (СПГ), а також газ, що є побічним продуктом нафтопереробних підприємств – зріджений нафтовий газ (ЗНГ).

Основний компонент природного газу – метан, який становить 82 – 99% загального об'єму. Основними його властивостями як моторного палива є нижча теплота згоряння 32 – 36 МДж/м3 і високе октанове число (майже 100). Природний газ має переваги порівняно з рідким паливом, оскільки він надходить у цилінДри в газоподібному стані і виключає розрідження мастильної оливи, навіть під час холодного пуску двигуна. Це збільшує термін його служби та зменшує зношування деталей двигуна. В порівнянні з бензином під час роботи на стисненому газі суміш утворюється більш однорідна, відбувається рівномірний розподіл суміші по циліндрах. Зберігати природний газ можна у двох агрегатних станах – стисненому та зрідженому. Проте температура зрідження має становити (-161,6°С). Тому, у разі використання природного газу як мото́рного палива, його зберігають у стисненому стані в сталевих балонах під тиском до 20 МПа. Необхідність стискання природного газу до високого тиску спричинює головну проблему, яка стримує широке використання цього виду палива. Для заправки балонів за такого тиску необхідно будувати автомобільні газонаповнювальні компресорні станції високої вартості, де газ, який надходить газопроводами, очищують, фільтрують і стискають до 25 МПа.

Як правило, для роботи на газовому паливі переобладнують бензинові двигуни шляхом заміни штатного карбюратора карбюратором-змішувачем з додатковим обладнанням газовою апаратурою. Двигуни в такому разі можуть працювати як на природному газі, так і бензині. Після переведення на газ енергетичні показники двигуна у порівнянні з бензиновим двигуном, покращуються на 15 – 20%. Результати порівняльних досліджень автомобілів, які працюють на рідкому та газоподібному нафтових паливах підтверджують суттєве зменшення викидів шкідливих речовин при роботі на СПГ. Відомо, що під час роботи автомобіля на СПГ викиди СmНn, СО і NOx дещо зменшуються. Вуглеводні, які виділяються з відпрацьованими газами двигунів, що працюють на газоподібному паливі, в основному, складаються з метану та інших алканів, а на бензиновому паливі – з олефінів, які значно токсичніші.

Досить широко застосовується переобладнання автомобілів для роботи на зрідженому нафтовому газі (ЗНГ). Високе октанове число дає можливість використовувати ЗНГ для живлення двигунів з іскровим запалюванням і високим ступенем стискання. На відміну від СПГ, який використовують для живлення серійних бензинових двигунів, для ЗНГ, переважно, розробляють двигуни з підвищеним ступенем стискання. Порівняльні дослідження роботи двигуна на бензині та зрідженому газі показують, що переведення на ЗНГ зменшує викиди СО у 2 – 4 рази, ΝΟx – в 1,4 – 1,8 разів. Викиди ж СmНn, особливо під час роботи на низьких швидкісних режимах і режимах малих навантажень, збільшуються в 1,2 – 1,5 рази. Застосування ЗНГ в суто дизельному процесі виключено через високі температури самозаймання суміші. Щоб розширити ресурсну базу, в останній час проводять дослідження щодо живлення двигунів з іскровим запалюванням та дизелів біологічним газом.

Використання синтезованих і гідролізних альтернативних палив, на прикладі водню, поки що проблематичне, тому що мають місце недоліки, які пов'язані з особливостями роботи двигуна, що працює на чистому водні – зростають небезпеки вибуху водню у випадку розгерметизації системи живлення, тощо. Велика швидкість згоряння водне-повітряної суміші веде до різкого підвищення тиску, жорсткої роботи з детонаційно-подібними явищами.

В останні роки за кордоном вивчається можливість використання ацетилену (С2Н2) як моторного палива. Ацетилен має високі енергетичні показники і його можна виробляти з нафтової сировини. Проводились поодинокі експериментальні дослідження роботи поршневих ДВЗ на ацетилені, які до того ж виконані переважно на одноциліндрових установках. Токсичні показники двигуна, який працює на ацетилені, покращуються, в основному, через зниження вмісту у ВГ оксиду вуглецю та сумарний вуглеводнів. Так в режимах максимальної потужності отримано зменшення викидів СО у 2 – 2,5 рази, a CmHn в 2,5 – 3,5 рази, в порівнянні з мінімальними значеннями викидів цих компонентів під час роботи на бензині. Разом з тим, внаслідок високої температури згоряння ацетилену вміст оксидів азоту у ВГ, знаходиться на рівні найбільших викидів NOx бензинових Двигунів. Основним недоліком ацетилену та ацетилено-повітрянної суміші є їх висока вибухонебезпечність.

Перспективним видом палива для живлення теплових двигунів є спирти (метанол та етанол);

Метанол (СН3ОН) отримують гідрогенізацією (приєднанням водню) кам'яного вугілля за високого тиску в присутності каталізатора. Крім вугілля, як сировину використовують природний газ, вапняк, побутові відходи і відходи лісового господарства. Метанол як моторне паливо, має високі характеристики: октанове число близько 100, теплота згоряння – 22 МДж/кг. Високе октанове число дає можливість використовувати метанол для живлення двигунів з іскровим запалюванням і з високим ступенем стискання. Менша практично вдвічі теплота згоряння в порівнянні з бензином призводить до того, що масові витрати метанолу на одиницю виробленої енергії значно більші, що зменшує запас ходу транспортної машини – або спричиняє необхідність значно збільшувати об'єм паливних баків. Однією з особливостей метанолу порівняно з паливом Нафтового походження є висока теплота випаровування – до 1160 кДж/кг, що перевищує теплоту випаровування бензину (318 кДж/кг) у 3,6 рази. Це сприяє зниженню температури суміші і збільшенню маси паливо-повітряного заряду, зменшенню тепловідведення в циліндрах двигуна і температури відпрацьованих газів. Потужність двигуна з іскровим запалюванням, що працює на метанолі, на 10-15% вища, ніж на бензині. Але висока теплота випаровування метанолу значно погіршує пускові властивості двигуна і практично виключає можливість запуску двигуна за низьких температур, навіть за 0°С. Широке використання в експлуатаційних умовах метанолу замість бензину має такі недоліки: його пари більш шкідливі за пари бензину, гума і деякі синтетичні матеріали нестійкі до метанолу, спостерігається навіть підвищене зношування деяких деталей двигуна. Але за відповідної організації експлуатації та незначних змін деяких деталей двигуна використання метанолу для живлення двигунів з іскровим запалюванням є цілком виправдане. Про доцільність переведення двигунів на живлення метанолом свідчить зменшення викидів більшості шкідливих речовин з відпрацьованими газами в порівнянні з бензином. Живлення метанолом дає можливість зменшити вміст NOx завдяки нижчій температурі у циліндрах двигуна в процесі згоряння метанолу. Вміст СО під час роботи двигуна як на бензині та і на метанолі на збагачених сумішах приблизно однаковий, а у випадку складу суміші, що наближається до стехіометричної, на метанолі значно нижчий, внаслідок більш повного згоряння. З цієї ж причини вміст СmНn на метанолі становить 25 – 33% вмісту вуглеводнів на бензині. Кількість альдегідів під час роботи на метанолі збільшується приблизно в 2 рази в порівнянні з роботою на бензині. Викид поліциклічних вуглеводів, які мають канцерогенні властивості, у випадку роботи на метанолі у 10 разів менший. Разом з тим не утворюється сажа і відсутні сполуки сірки. Таким чином, загальна токсичність двигуна з іскровим запалюванням під час роботи на метанолі значно менша ніж за роботи на бензині. Метанол можна використовувати і в дизельних двигунах.

Перспективним паливом для двигунів вважається також етанол (С2Н5ОН), який отримують в основному з рослинної сировини. У Бразилії його отримують з цукрової тростини, в США та в Мексіці – з кукурудзи, в Швеції – з пшениці. Властивості етанолу як моторного палива близькі до метанолу. Переведення двигуна на етанол дозволяє забезпечити його стабільну роботу і низькі викиди забруднювальних речовин, про що свідчать низькі концентрації вуглеводнів CmHn в усьому діапазоні навантажень. Концентрація СО у ВГ за роботи на різних видах палива практично однакова.

Останнім часом в нашій країні і за кордоном вивчається проблема заміни бензину і дизельного палива рослинною олією. Такою може бути олія багатьох олійних і технічних культур, зокрема, соняшника, кукурудзи, ріпаку тощо. Ріпак – досить невибаглива культура, його врожайність 15-25 центнерів насіння з гектару. Шляхом екструзії (пресування) вилучається до 40% олії від маси зерна. Більш глибока екстракція (вилучення) дозволяє отримати до 70% олії. Ріпакову олію, як і олію інших культур, можна використовувати у вигляді добавок до дизельного палива або продукувати з неї метилефір, який безпосередньо використовується як паливо для дизелів. Метилефір отримують з олії трансетерифікацією (хімічним перетворенням). Для одержання 1000 літрів метилефіру потрібно 1000 літрів олії, 110 літрів метанолу та 16 літрів каталізатора (гідрооксиду калію або натрію). У результаті додатково одержують 110 кг гліцерину та відбувається часткове повернення метанолу.

Ріпакова олія, використовується як змащувальна олива для систем змащування двигунів і за своїми властивостями не поступається нафтовим оливам. Вона має цілком прийнятну температуру застигання. За антикорозійними та протизношуваними властивостями ріпакова олія перевищує нафтові оливи. За умови роботи дизеля на сумішах ріпакової олії і дизельного палива зміна концентрацій шкідливих компонентів відпрацьованих газів (СО, CmHn, NOx, СО2) і їх димність мають такий же характер як і для звичайних дизелів. Під час роботи дизеля на ріпаковій олії викиди оксиду вуглецю на один кілометр шляху дещо зростають, порівнюючи з дизельним паливом (2,48 і 1,67 г/км відповідно), а викиди вуглеводнів та оксидів азоту зменшуються. Окрім того ВГ такого дизеля не містять сірки і важких металів.

Слід зауважити, що перспектива використання біопалива є дискусійною і неоднозначно трактується різними дослідниками, а в деяких випадках може спричинити і соціальні конфлікти внаслідок подорожчання їжі в зв'язку з використанням великої площі сільсьськогосподарських угідь для вирощування олієносних рослин (як це сталось в Мексіці внаслідок використання значних площ під вирощування кукурудзи для біодизеля). За оцінками деяких дослідників для виробництва біопалива витрачається така кількість енергетичних ресурсів (польові роботи, добрива, агрохімія, виробництво палива), яка співрозмірна з кількістю, отриманого палива

Перспективним є виробництво біодизелю з спеціально культивованих водоростей (цей процес активно досліджується в різних країнах світу).

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >