Газообразное топливо

По величине теплотворной способности нефть и все виды твёрдого топлива уступают газообразному. Высокая калорийность газообразного топлива обусловлена тем, что при его сгорании не затрачивается энергия на разрыв связей между атомами углерода, как в твёрдом топливе или в больших молекулах углеводородов нефти. Кроме того, газообразное топливо полностью смешивается с воздухом, так что при его сжигании требуется лишь очень небольшой избыток кислорода по сравнению с теоретической величиной. Это снижает потери теплоты на нагрев избытка кислорода (воздуха). Газ можно предварительно нагревать, благодаря чему повышается температура пламени. Его удобно транспортировать на большие расстояния, пользуясь газопроводами.

К важнейшим видам газообразного топлива относятся: генераторные газы, коксовый газ, природный газ и водородное топливо.

1. Виды газообразного топлива не нефтяного происхождения

Генераторные газы получают из твёрдого топлива путем частичного окисления содержащегося в нем углерода при высокой температуре. Этот процесс называется газификацией твёрдого топлива. Он осуществляется в специальных устройствах – газогенераторах, представляющих собой вертикальную шахту, в которую сверху загружают топливо, а снизу вдувают воздух, кислород, водяной пар или смеси этих веществ. В зависимости от состава вдуваемых газов различают воздушный, водяной, паровоздушный (смешанный) и другие генераторные газы.

Воздушный газ получают при вдувании воздуха. При этом в нижней части генератора протекает реакция:

(10)

Вследствие большого количества выделяющейся теплоты, температура достигает 1400-1600 ºС, вышележащие слои угля раскаляются и уголь взаимодействует с СО₂:

(11)

Получающийся газ в основном состоит из оксида углерода (II) и азота. Паровоздушный (смешанный) газ получают при вдувании смеси воздуха с водяным паром. В этом случае одновременно с вышеприведенными реакциями происходит взаимодействие углерода с водяным паром:

(12)

Таким образом, в состав смешанного газа, кроме оксида углерода (II) и азота, входит водород, что повышает его теплотворную способность. Смешанный газ применяется в промышленности в качестве топлива. Он самый распространенный и дешёвый из всех искусственных горючих газов.

Водяной газ получают при подаче на раскаленный уголь водяного пара. Газ содержит до 86% СО и Н₂ и используется не в качестве горючего, а для синтеза химических продуктов.

Коксовым газом называется газ, получаемый нагреванием каменного угля до 900-1100 ºC без доступа воздуха. Этот газ в чистом виде или в смеси с природным газом используется в качестве топлива для нагревания мартеновских печей, печей стекольной и керамической промышленности, а также в коммунальном хозяйстве. Кроме того, коксовый газ служит сырьём при синтезе химических продуктов.

Коксовый газ представляет собой смесь различных горючих газов. Состав его зависит от исходного материала, но в среднем выражается следующими числами (табл. 12) [в % (об.)]:

Таблица 12

Состав коксового газа

Подземная газификация угля. Превращение угля в газообразное топливо может быть осуществлено путем газификации угля непосредственно в местах залегания (под землёй). Впервые мысль о возможности такого процесса была высказана Менделеевым в 1888 г.

2. Газообразное автомобильное топливо

В двигателях внутреннего сгорания наряду с жидкими топливами применяют газообразные. Автомобильная промышленность на базе бензиновых автомобилей серийно выпускает газобалонные, используемые в основном в качестве городского транспорта. При переводе автомобиля на газообразное топливо частично решается проблема снижения токсичности отработавших газов. Также, при работе автомобиля на данном виде топлива, снижаются нагарообразование и расход моторного масла.

Преимущества автомобильных газообразных топлив:

• экономия нефтепродуктов, из которых изготавливаются бензины и дизельные топлива;
• улучшение топливной экономичности автомобиля за счет работы двигателя на более бедной горючей смеси;
• снижение токсичности отработавших газов ДВС;
• снижение изнашивания ЦПГ и увеличение срока службы моторного масла;
• высокая детонационная стойкость (позволяет повысить степень сжатия двигателя и, следовательно, его мощность и топливную экономичность);
• исключение необходимости подогрева впускного трубопровода, что улучшает наполнение цилиндров и повышает, таким образом, мощность ДВС;
• улучшение равномерности распределения горючей смеси по цилиндрам.

Сырьем для получения газообразного автомобильного топлива являются природный и попутный газ. Основным компонентом природного газа является метан. В природном газе также содержатся насыщенные углеводороды, содержащие 2-5 атомов углерода в молекуле. Газ широко используется в качестве топлива. По сравнению с бензином имеет ряд преимуществ: октановое число его равно 100-105, в 2-10 раз меньше выбросы в атмосферу вредных продуктов сжигания. Однако применение газа требует его сжатия до давления 200-250 атм или сжижения, создания условий для хранения и транспортировки газа в таком состоянии. Поэтому газ, используемый в качестве автомобильного топлива, в зависимости от его физического состояния делится на сжатый и сжиженный. Если критическая температура газаниже обычных температур эксплуатации автомобиля, его применяют в сжатом виде, а если выше – в сжиженном, под давлением 1,5-2,0 МПа.

Наиболее распространенными и перспективными газообразными углеводородными топливами для бензиновых двигателей являются следующие виды:

• компримированный (сжатый) природный газ (КПГ) (метан);
• газ сжиженный нефтяной (ГСН) (пропан-бутановая смесь).

Для заправки дизельных двигателей применяют газовые конденсаты. К качеству топлив газобалонных автомобилей предъявляют следующие эксплуатационные требования:

• хорошая смешиваемость с воздухом для образования однородной горючей смеси;
• высокая калорийность горючей смеси;
• отсутствие детонации при сгорании в цилиндрах двигателя;
• минимальное содержание смолистых веществ и механических примесей, способствующих образованию нагара на деталях ДВС;
• минимальное содержание веществ, вызывающих коррозию поверхностей деталей, окисление и разжижение масла в картере двигателя;
• минимальное образование токсичных и канцерогенных веществ в продуктах сгорания;
• сохранение стабильного состава и свойств по времени и объему;
• сохранение избыточного давления насыщенных паров в интервале температур от -30 до +45 ºС (для ГСН);
• хорошая испаряемость без образования жидкого осадка при понижении давления в газовой системе питания ДВС (для ГСН).

Сжиженные газы. Газ сжиженный нефтяной в качестве автомобильного топлива представляет собой смесь пропана, нормального бутана, изобутана, пропилена, этана, этилена и других углеводородов. Основные компоненты сжиженных газов как современного топлива для ДВС – это пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и их смеси. Так как каждый из компонентов имеет определенную температуру кипения, давление паровой фазы смеси сжиженных газов зависит как от температуры, так и от компонентного состава. Давление смеси газов можно определить по значению составляющих (парциальных) давлений углеводородных газов, входящих в состав смеси, пропорционально концентрациям.

Свойства сжиженных газов определяются по параметрам отдельных углеводородов, входящих в смесь. Ввиду того, что пропан и бутан имеют при атмосферном давлении соответственно температуры кипения -42,1 ºС и -0,5 ºС и критические температуры +96,8 ºС и +126 ºС, это позволяет хранить их в сжиженном состоянии в диапазоне эксплуатационных температур от -40 до +45 ºС при относительно низком давлении (до 1,6 МПа). Так как критические температуры пропана (+97 ºС) и бутана (+126 ºС) выше обычных температур окружающего воздуха, то оба углеводорода при небольшом давлении (без охлаждения) можно перевести в сжиженное состояние.

Давление насыщенных паров сжиженных газов изменяется от 0,27 МПа при температуре -10 ºС до 1,6 МПа при температуре +45 ºС. Сжиженный газ характеризуется большим коэффициентом объемного расширения. Давление в значительной степени зависит не от количества газа в баллоне, а от температуры. Повышение температуры на 1 ºС увеличивает давление в газовом баллоне на 0,6-0,7 МПа, что может привести к его разрушению. Поэтому, чтобы этого не случилось, в баллоне предусматривают паровую подушку (фазу). Степень заполнения (полезная емкость) автомобильных газовых баллонов должна быть в пределах 80-85%. Арматура автомобильных газовых щитов имеет специальное устройство, автоматически прекращающее заправку баллона при достижении предельного уровня топлива.

Компоненты газового топлива имеют пределы воспламенения бедных смесей, что положительно влияет на топливную экономичность, но данное топливо обладает плохими пусковыми свойствами. Поэтому пуск холодного двигателя возможен на зимней марке топлива (ПА) при температуре окружающего воздуха 0т -5 до -7 ºС.

Все компоненты ГСТ не имеют ни цвета, ни запаха, что привело к одорации топлива (приданию запаха), для обнаружения утечек и обеспечения безопасности при их использовании. В качестве одоранта используют этилмеркаптан (С₂Н₅SН).

Сжиженные газы хранят в баллонах емкостью 250л, рассчитанных на рабочее давление 1,6 МПа.

Сжатые газы. Основные компоненты – метан СН₄, окись углерода СО и водород Н₂ – получают из горючих газов различного происхождения (природных, попутных, нефтяных, коксовых и др. Из всех углеводородных газов метан содержит максимум водорода на один атом углерода и поэтому обладает высокой теплотворностью, достаточно широкими пределами воспламеняемости, низким содержанием токсичных веществ (СО и СН) в продуктах сгорания. Он характеризуется наивысшей критической температурой -82 ºС и поэтому при нормальных температурах даже при высоком давлении не может быть сжижен, так как для этого нужны низкие температуры.

Метан имеет высокую детонационную стойкость, что обеспечивает «мягкую» работу двигателя при использовании природного газа и позволяет форсировать ДВС за счет степени сжатия.

Сжатый газ воспламеняется при температуре 635-645 ºС в камере сгорания (в 3 раза выше температуры воспламенения бензина), что затрудняет запуск двигателя, особенно при пониженных температурах окружающего воздуха. При снижении давления метана в газовом редукторе высокого давления температура резко снижается. Поэтому даже в летний период времени влага, содержащаяся в газе, может образовывать кристаллы льда и препятствовать подаче газа в двигатель.

Поэтому важными мероприятиями для надежной работы двигателей на данном виде топлива являются; очистка (осушение) газа от воды при заправке на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях; своевременная замена фильтров в системе питания двигателя; эффективный подогрев газа перед снижением давления в редукторе, особенно в зимний период.

Для сжатого газа применяют газобаллонные установки (баллоны, арматура, редуктор, газопрововоды и др.) рассчитанные на работу при высоком давлении 19,6 МПа.

Преимущества использования сжатого природного газа как автомобильного топлива в сравнении с бензином:

• увеличение в 2-3 раза продолжительности работы масла между заменами из-за отсутствия его разжижения и уменьшения загрязнения (снижается расхода масла на 30-40%);
• увеличение ресурса двигателя на 35-40% вследствие отсутствия нагара на деталях ЦПГ;
• увеличение срока службы свечей зажигания на 40%;
• увеличение в 1,5 раза межремонтного ресурса двигателей;
• снижение выброса с отработавшими газами вредных веществ до 90%.

Недостатки использования сжатого природного газа как автомобильного топлива:

• увеличение на 7-8% ТО и ремонта;
• увеличение цены автомобиля (≈ 27%) из-за наличия дополнительной газобаллонной аппаратуры;
• снижение мощности двигателя на 18-20% что приводит к увеличению времени разгона на 24-30%, уменьшению максимальной скорости автомобиля на 5-6%, затрудняется эксплуатация автомобиля с прицепом;
• снижается грузоподъемность автомобилей на 9-14% в связи с применением тяжелых стальных баллонов высокого давления.

Газовые конденсаты – жидкие углеводороды, конденсирующиеся при нормальных условиях из природных газов, находящихся в подземных пластах под давлением 4,9-9,8 МПа и температуре до 150 ºС.

Уровень физико-химических и эксплуатационных свойств газоконденсатов близок к дизельным топливам, что позволяет применять их как топливные компоненты. Наиболее целесообразно использовать газовые конденсаты в качестве топлива для дизелей на местах их добычи без сложной переработки.

В качестве топлив для дизелей применяются два вида газовых конденсатов – ГШЗ и ГШЛ (табл. 13).

Таблица 13

Основные показатели качества дизельных и газоконденсатных топлив

ГШЗ – газоконденсатное широкофракционное топливо, которое получают прямой перегонкой газовых конденсатов или смешением дизельных фракций газовых конденсатов с товарными дизельными топливами. ГШЗ используют при температуре окружающего воздуха -35 ºС и выше.

ГШЛ получают прямой перегонкой газовых конденсатов или смешением дизельных фракций газовых конденсатов с товарными дизельными топливами. Этот вид газового конденсата используют при температуре окружающего воздуха выше -5 ºС.

Вследствие меньшей плотности газоконденсатного топлива уменьшается его подача в двигатель, и при неизменной регулировке топливной аппаратуры мощность дизеля снижается примерно на 7% по сравнению с дизельным топливом.

3. Ассортимент газообразных автомобильных топлив

Компонентный состав сжиженного нефтяного газа регламентируется ГОСТ 27578-87 «Газы сжиженные нефтяные. Топливо для газобаллонных автомобилей. Технические условия».

Стандарт предусматривает две марки газа: зимнюю – ПА (пропан автомобильный) и летнюю – ПБА (пропан-бутановая смесь автомобильная). В табл. 14 представлены основные физико-химические показатели углеводородных сжиженных газовых автомобильных топлив.

Таблица 14

Характеристика сжиженного газа ГОСТ 27578-87

Также на автомобильные газонаполнительные станции поступают и сжиженные газы зимней и летней марок согласно ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового и промышленного потребления. Технические условия». Этот стандарт имеет более широкие допуски на содержание компонентов, отрицательно влияющих на ДВС и топливную аппаратуру из-за содержания серы, её соединений и непредельных углеводородов. По данным ТУ сжиженные газы поступают двух марок: смесь пропан-бутановая зимняя (СПБТЗ) и смесь пропан-бутановая летняя (СПБТЛ), табл. 15.

Таблица 15

Характеристика сжиженного газа ГОСТ 27578-87

Сжатый (компримированный – КПГ) природный газ отпускается на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) по ГОСТ 27577-2000. Основные его характеристики приведены в табл. 16.

Таблица 16

Характеристика природного топливного сжатого газа для автомобилей ГОСТ 27577-2000

Переход с жидкого топлива на газообразное увеличивает срок службы ДВС, свечей зажигания и моторного масла (до замены). А также снижается токсичность отработавших газов в 2-5 раз. Но существуют и недостатки – затрудненный пуск ДВС в зимних условиях и образование ледяных пробок в топливной системе.

4. Перспективные виды автомобильного топлива

Перспективные топлива для современных автомобильных двигателей — это топлива не нефтяного происхождения: синтетические спирты, смеси эфира, водорода, водотопливные эмульсии. Главным их достоинством является снижение выбросов отработавших газов в атмосферу и экономия нефтяного сырья, за счет частичной или полной замены топлив традиционных.

Но перспективные виды автомобильного топлива должны обладать определенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами (табл. 2.17), не приводящими к коренному изменению конструкции двигателя, топливной аппаратуры и условий их хранения в автомобиле.

Синтетические спирты. В наше время всё большее развитие получает синтез жидкого искусственного топлива, в результате которого вырабатывают синтетические спирты наиболее близкие по качествам к топливам нефтяного происхождения: метиловый спирт (метанол) – СН₃ОН и этиловый спирт (этанол) – С₂Н₅ОН. Сырье для производства синтетических спиртов разнообразно по своему происхождению. Так, метанол получают из угля, природного газа, известняка, нефтяных остатков, сланцев, бытовых и отходов лесного хозяйства, и этанол – из сахарного тростника, свеклы, зерновых и других сельскохозяйственных культур.

Синтетические спирты, используемые в качестве автомобильных топлив характеризуются высоким октановым числом, меньшей по сравнению с бензином теплотворной способностью, высокой скрытой теплотой испарения, низкими упругостью паров и температурой кипения. При работе двигателя на чистом метаноле увеличивается его мощность, снижается тепловая напряженность деталей ЦПГ, нагарообразование и закоксовывание. Также улучшаются экологические характеристики отработавших газов: содержание окислов азота снижается в 1,5-2,0 раза, углеводородов – в 1,3-1,7 раза, а концентрация окиси углерода остается в среднем той же, что и при работе на бензине.

Однако применение метанола в качестве топлива требует изменения конструкции топливной аппаратуры, двигателя и в какой-то мере самого автомобиля. Так, например, возникает необходимость оборудовать двигатель устройствами, облегчающими пуск, особенно при отрицательных температурах; увеличивать вместимость топливных баков, так как использование метанола снижает запас хода автомобиля в 2 раза; заменять некоторые материалы системы питания более стойкими из-за высокой коррозионной агрессивности метанола.

Серьезную проблему применения метанола в качестве топлива представляет его высокая токсичность. Поэтому в наше время метанол лучше использовать в качестве добавки к бензину (бензин с добавлением 15% метанола называют бензометанольной смесью М15), что приведет к следующим положительным сторонам:

• избежание необходимости вносить изменения в конструкцию двигателя и настройки его топливной аппаратуры;
• при добавлении 3-5% метанола обеспечивается экономия 2,5% бензина при сохранении мощности двигателя и динамических показателей автомобиля, а также снижение уровня токсичности отработавших газов;
• создание возможности применять бензин с несколько меньшим октановым числом, заменять этилированный бензин неэтилированным;
• позволяет избежать необходимость введения в бензин добавки стабилизационного характера (например, дорогостоящий изобутиловый спирт), так как смесь бензина с метанолом дольше сохраняет стабильность и создает возможность использования автомобилей в различных климатических поясах (устойчивый пуск холодного двигателя обеспечивается при температуре воздуха -26 ºС).

Этанол в качестве автомобильного топлива может применяться как в смеси с бензином, так и самостоятельно. По некоторым показателям этанол как топливо превосходит метанол (табл. 17).

Таблица 17

Физико-химические и эксплуатационные свойства автомобильных топлив

Использование спиртов в качестве добавки в дизельное топливо снижает его вязкость, уменьшает плотность (спирт имеет более низкую плотность). Однако низкая температура самовоспламенения (низкое цетановое число) позволяет использовать метанол и этанол для дизелей только при условии конструктивных изменений двигателя и в количествах, не превышающих соответственно 15 и 20%. Такие смеси сохраняют чистоту и не вызывают коррозии деталей двигателя, но их применение ограничено из-за высокой стоимости присадок.

Метилтретбутиловый эфир. Метилтретбутиловый эфир СН₃ОС₄Н₉ (МТБЭ) применяют в основном в качестве добавки к бензину. МТБЭ получают синтезом 65% изобутилена и 36% метанола в присутствии катализаторов.

Топливная смесь бензина с метилтретбутиловым эфиром имеет следующие преимущества:

• высокоое ОЧ смеси, но не этилированной. При добавке 10% МТБЭ октановое число бензина повышается на 2,1-5,9 ед. (по исследовательскому методу), а при добавке 20% – на 4,6-12,6 ед.;
• оптимальный состав смеси бензина с МТБЭ не вызывает необходимости дополнительной регулировки топливной аппаратуры;

Водород. Идеальным топливом в экологическом отношении является водород, так как при его сгорании в среде кислорода образуется в основном вода без каких-либо вредных веществ (окислов свинца, окиси углерода), наличие же окислов азота в отработавших газах не значительно. По удельной теплотворной способности (в 2,57 раза больше, чем у метана) водород превосходит все известные топлива. Сдерживают применение водорода в качестве топлива: необходимость использования в сжатом или жидком состоянии, исключительная способность водорода проникать через различные материалы и вызывать растрескивание сталей, что создает дополнительные требования к условиям его безопасного хранения, дороговизна получения водорода, а также необходимость значительного изменения систем питания автомобилей.

Использование же водорода в качестве добавки к топливовоздушной смеси не требует таких изменений. Если водород вводить в горючую смесь на режиме холостого хода, а также при малых и средних нагрузках, то это обеспечит оптимальные мощностные и динамические показатели автомобиля при снижении расхода бензина с 12,2 кг/100 км до 5,5 кг/100 км (расход водорода составит всего 1,8 кг, что позволит сэкономить 50-55% топлива. При этом концентрация окиси углерода в отработанных газах снижается в 13 раз, окислов азота – в 5 раз, углеводородов – на 30%.

При городском режиме работы автомобиля основным топливом должен служить водород, а бензин – использоваться как добавка для стабилизации горения воздушно-водородной смеси на режиме холостого хода, малых и средних нагрузках.