Спиртово-паливні суміші

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Спиртово-паливні суміші

1.1 Метанол

Метанол (метиловий спирт) - один з найважливіших за значенням і масштабам виробництва продукт, що виробляється хімічною промисловістю. Цінний великотоннажний продукт, що знаходить широке застосування в різних галузях промисловості. Об'єм споживання метанолу у світі безперервно виростає. Нині його світове виробництво складає близько 30 млн.т/рік. метанол спиртовий паливний суміш

Однією з нових сфер застосування метанолу є безпосереднє використання його в якості моторного палива. Метанол або додають до дизельного палива в кількість до 5%, або використовують як повноцінну заміну. Проте метанол має нижчу теплотворну здатність і є дуже токсичним.

Властивості метанолу. Метанол - отруйна безбарвна, легкорушна, легко летуча рідина з солодкуватим запахом з температурою кипіння 64,65°З, температурою кристалізації - 97,9°З і щільністю 0,792 т/м3. Критична температура метанолу дорівнює 239,65°С. При вдиху можуть спостерігатися симптоми отруєння, параліч дихальних органів і смерть.

Метанол як моторне палив, має високе октанове число і низьку пожарну небезпечність. Ці обставини забезпечують його широке застосування на автомобілях перегонів. Метанол може змішуватися з бензином і служити основою для ефірної добавки - метил-третбутилового ефіру, який нині заміщає в США більшу кількість бензину і сирої нафти, чим усі інші альтернативні палива разом узяті. Оскільки метанол виходить з будь-якої вуглеводневої сировини, розширення сфер застосування його в перспективі може бути забезпечене такою потужною сировинною базою, як вугілля, природні карбонати або навіть поновлюваною рослинною сировиною, а також промисловими або сільськогосподарськими відходами. Найбільш важливим новим напрямом використання метанолу є додавання його в якості високооктанового компонента до моторних палив, і тільки в Західній Європі передбачається зростання потреби в метанолі для цих цілей до 18 млн. т.

1.2 Способи отримання

Відомі декілька способів отримання метанолу :

- суха перегонка деревини і лігніну (природний полімер рослинного походження, продукт переробки деревини).

-синтез з метану через метилхлорид з подальшим омиленням.

-неповне окислення метану на каталізаторах або без каталізаторів під тиском.

Збільшена потреба в метанолі викликала розробку нових перспективних методів його виробництва. Синтез , також схема наведена на рисунку 4.1 :

- синтез метанолу прямим окисленням метану повітрям на цинк-никель-кадмиевом каталізаторі, що дозволяє використати в якості сировини природний газ безпосередньо зі свердловин;

- спільне виробництво з синтез-газу метанолу і спиртів С2-С4 у вигляді так званої "спиртової композиції", використовуваної як добавка до моторного палива;

- спільне виробництво метанолу і аміаку на основі конвертованого газу за маловідходними енерготехнологічними схемами, що забезпечують раціональне і комплексне використання сировини.

1 - масляний фільтр; 2 - вугольний фільтр; 3 - колонна синтеза; 4 - холодильник-конденсатор; 5 - сепаратори; 6 - компресора; 7 - збірник.

Рис. 4.1 - Схема синтезу метанолу

Попри те, що доля метанолу використовуваного на виробництво моторного палива нині ще невелика, використання його для паливно-енергетичних цілей стало дуже перспективним. Це обумовлено можливістю отримання метанолу з будь-якої вуглець-місткої сировини і необмеженими запасами його, що дозволяє використати метанол в якості напівпродукту у виробництві синтетичного моторного палива.

Важливим у порівнянні з іншими спиртовими паливами, є те що метанол зажадає дуже незначних модифікацій як для існуючих двигунів, так і для заправної інфраструктури та в його виробництві може бути використаний навіть вуглекислий газ, джерело глобального потепління.

З великого числа аліфатичних спиртів в якості моторних палив знайшли обмежене застосування метанол. Ця обставина обумовлена значними обсягами їх виробництва (десятки мільйонів тон), високими антидетонаційними властивостями, можливість економії нафтових ресурсів за умови виробництва цих спиртів з альтернативних джерел сировини (рис 4.2).

Рис 4.2- Схема отримання палив і природнього газу

1.3 Робота дизелів на спиртових паливах

Робота дизелів на спиртових паливах можлива при використанні суміші спиртів і дизельного палива з підвищеним цетановим числом, введення в паливо активуючих присадок, поданню спиртів у випаруваному виді, уприскуванні запального дизельного палива, переобладнанні дизеля в двигун в іскровим займанням. З перерахованих варіантів найбільш прийнятною для експлуатації є добавка до спиртів різних присадок. Такі палива дістали назву сумішевих спиртових палив. Випробування однієї з композицій сумішевого палива показали збільшення потужності двигуна на 4-7% і поліпшення паливної економічності (порівняно з чистим метанолом) на 10-15%, при цьому зміст в газах оксидів, що відпрацювали, азоту знижується на 25-30% порівняно з роботою на бензині.

В якості присадок, що покращують займистість спиртів, використовують ізопропилнітрат, пентилнітрат та ін. Найбільш ефективний циклогексанолнітрат, при добавці якого цетанове число спиртів змінюється таким чином:

Таблиця 4.1-Зміна цетанового числа метанолу

Низький тиск насиченої пари і висока теплота випару спиртів роблять дуже проблемним запуск двигунів вже при температурах нижче +10°С. Для поліпшення пускових якостей спиртові двигуни обладналися спеціальними пусковими підігрівачами. При нестійкій роботі двигуна на підвищених навантаженнях із-за поганого випару спиртів потрібно додаткове підігрівання паливної суміші за допомогою, наприклад, газів, що відпрацювали. З енергетичної точки зору переваги спиртів полягають головним чином у високому ККД робочого процесу спиртового двигуна, котрий вище бензинового, завдяки чому питома витрата енергії на одиницю потужності знижується і високої детонаційної стійкості.

Найкращий ефект спостерігається при використанні водноспиртово-паливної емульсії : покращуються окислювальні процеси в камері згорання дизеля, відбувається прискорення процесу горіння в початковій стадії, зменшується нагарообразование в цилиндро-поршневой групі і на форсунках, спостерігається істотне зниження емісії NO_x, твердих часток (сажі) і бенз (б) пирена (на 75 %), паливна економічність двигуна збільшується на 8-12 %.

Проте із-за вище перелічених недоліків (включаючи, також, високу їх вартість) спирти не отримали широкого застосування в якості добавок до дизельного палива.

Для поліпшення змащуючих властивостей в спиртові палива зазвичай вводять до 1 % касторової олії.

1.3.1 Експериментальне дослідження суднового ДВЗ , на спиртово-паливній суміші

В літературі практично відсутні дані по роботі на спиртово - паливній суміші.

Приведені нижче показники дані для такого палива, отриманого в лабораторних умовах. Це паливо відрізняється від дизельного по ширшим фракційним складом, зміненим груповим складом, а також пониженою щільністю. У роботі досліджено альтернативне паливо (АП),що є спиртово-паливною сумішшю.

Судновий ДВЗ 6ЧН12/14 з турбонадувом (рис.4.3). Дизельний двигун 4 навантажений електрогенератором постійного струму 21 з керованим струмом збудження, що забезпечує плавну зміну навантаження в усьому діапазоні потужності ДВС. Електричний генератор 21, сполучений з навантаженням 17, потужністю, що складається з 50 тенів, по 2 кВт кожен з обдуванням осьовим вентилятором.

В якості ілюстрації працездатності створеного устаткування нижче приведені результати досліджень на двох режимах: 1 - потужність генератора 27,1 кВт; 2 - потужність генератора 57,7 кВт .

Порівнянність результатів при роботі на різних паливах забезпечена проведенням випробувань при однаковому значенні потужності (струму збудженняя) і частоти обертання генератора.

Дослідження повторюваності індикаторних показників ДВЗ виконані при кількості реєстрованих циклів від 10 до 100. Значення максимального і середнього тиску в циліндрі приведені на рис. 4.4. Тут дані значення параметрів на дизельному і альтернативному паливах при двох значеннях потужності генератора. Відхилення поточного значення виміряних параметрів від середнього по усіх циклах лежить в діапазоні 3,4 - 4,0%. Така величина нестабільності є наслідком неповторюваноого значень маси і тиску палива, що упорскує, а також стохастичного характеру процесу самозаймання і і згорання палива в циліндрі ДВЗ. Слід зазначити, що приведена величина нестабільності свідчить про достатню відтворюваність вимірюваних величин індикаторного тиску.

Рис. 4.3 - Схема судового ДВЗ 6ЧН12/14

1 - витратна паливна цистерна ; 2 , 24 - фільтри грубого очищення ; 3 - ПНВТ; 4 - ДВЗ 6ЧН12/14 ; 5 - впускний трубопровід; 6 - охолоджувач надуваного повітря; 7 - компресор; 8 - турбіна; 9 - насос забортної води ; 10 - охолоджувач олії ; 11 - водяний насос ; 12 - водо-водяний теплообмінник; 13 - регулятор температури охолоджувальної води; 14 - випускний трубопровід; 15 - датчики температури; 16 - датчик індикаторного тиску ; 17 - навантаження; 18 - водоповітряний теплообмінник; 19 - осьовий вентилятор; 20 - електронні ваги; 21 - електричний генератор; 22 - датчик сили; 23 - підкачуючий насос; 24 - фільтр грубого очищення; 25 - цистерна.

Рис.4.4 - Оцінка погрішності виміру максимального і середнього тиску при випробуванні 1,2 - режими роботи; дизельне паливо; альтернативне паливо.

Період затримки займання .Цей параметр визначений проміжком часу (виміряного в градусах кута повороту колінчастого валу (ПКВ)) від моменту початку подання палива до моменту відриву лінії індикаторного тиску від лінії стискування. Як випливає з приведених даних, період затримки займання при використанні АП збільшується на 2-4 ° ПКВ, причому більше значення відповідає більшій потужності ДВЗ (рис.4.5). Отримані результати є наслідком відмінності параметрів АП від дизельного. Це:

- знижена здатністю альтернативного палива до самозаймання,

- підвищена температура самозаймання,

- понижена температура кипіння при підвищеній теплоті випару,

- понижена в'язкість.

Тиск і швидкість наростання тиску в циліндрі. Значення максимального тиску (p_max), максимальній швидкості наростання тиску (d_p/d ) при використанні альтернативного палива в усіх проведених випробуваннях вище, чим для дизельного палива (див. рис. 4.4 і рис. 4.5). Абсолютне значення підвищення максимального тиску на АП складає 0,6-1,0 МПа, а середнього 0,1-0,3 МПа. Причому, велика різниця тисків відповідає меншій потужності ДВЗ. Робота ДВЗ на альтернативному паливі призводить до зростання величини швидкості наростання тиску на 5-10 МПа/⁰пкв, причому зниження потужності ДВЗ призводить до збільшення значення цього параметра.

Рис. 4.5 - Порівняння тиску і швидкості наростання тиску в циліндрі суднового ДВС 6ЧН12/14 при роботі на дизельному (1) і альтернативному паливі(2)

1.4 Спиртові палива у паливній арматурі

Експериментальні дослідження представленої на рисунку 4.6 системи паливо подання показали, що вона дозволяє здійснити подання будь-якого рідкого альтернативного палива, включаючи рослинні олії.

Рис. 4 - Схема системи подання спиртового і дизельного палив в судновий дизель:

1 - ПНВТ; 2 - нагнітальний клапан; 3 - ємність зі спиртовим паливом; 4, 6 - магістралі; 5 - підкачувальний насос;7 - фільтр; 8 - клапан; 9 - форсунка; 10 - замочна голка;11 - канал; 12 - топливопровід

При такій схемі процесу паливо подання займання етанолу походить від запальної дози дизельного палива. Система паливо подання працює таким чином. Дизельне паливо подається до форсунки 9 від ПНВТ 1 через нагнітальний клапан 2, паливопровід 12 і впливає на замочну голку 10 форсунки піднімаючи її. При посадці нагнітального клапана на сідло відбувається відсічення палива, а розвантажуючий поясочок клапана створює відсмоктуючий ефект і викликає розрідження в порожнині нагнітання. Змішення палив відбувається в каналі 11 форсунок 9, тому ПНВТ захищений від роботи на мало в'язкому спиртовому паливі.

Також цей дослід показав, що доля етанолу в сумішевому паливі значною мірою залежить від режиму роботи дизеля і змінюється в основному, в діапазоні 25-50 %. Також досягнуте значне зниження задимлювання ВГ при перекладі двигуна з дизельного на сумішеве паливо. На режимах з повним навантаженням (при Р_е = 0,7-0,8МПа) задимлювання ВГ знизилася в два рази, що пояснюється поліпшенням якості процесу суміше утворювання при роботі на суміші дизельного і спиртового палив, а також змістом в молекулах спиртового палива значної кількості кисню

При цьому слід зазначити недолік цієї системи, що полягає в тому, що доля спирту в сумішевому паливі не регулюється і збільшується зі зниженням швидкісного режиму роботи дизеля. В той же час для підвищення якості робочого процесу дизеля доля спиртового палива із зростанням частоти обертання повинна зростати. Рисунок 4.7 та 4.8 отримані діаграми.

СПС - Спиртово-паливна суміш

ДП - Дизельне паливо

Рис. 4.7 - Зрівняння параметрів уприскування спиртово-паливної суміші та дизельного палива

Рис. 4.8 - Процеси горіння Спиртово- паливної суміші та дизельного палива

1.5 Переваги та недоліки спитрово-паливної суміші

До позитивних якостей відносяться:

-високі антидетонаційні властивості, що дозволяє підвищити міра стискування в камері згорання до 12-14 і понизити питому витрату енергії на одиницю потужності (підвищити ККД двигуна).

-температура згорання спиртів нижче температури згорання бензину і це призводить до зменшення змісту в газах оксидів азоту, які утворюються при температурі вище 1090 ⁰С, що відпрацювали.

-наявність атома кисню в молекулі спиртів приводить до зменшення стехіометричного співвідношення паливо: повітря і як наслідок збільшенню швидкості згорання і зменшенню змісту СО в газах, що відпрацювали.

Серед основних недоліків слід виділити наступне:

-пониження (майже в 2 рази) в порівнянні з вуглеводневими паливами теплота згорання, що робить негативний вплив на потужності характеристики потужності двигуна.

-низька об'ємна енергощільність спиртів в порівнянні з вуглеводневими паливами (16МДж/л для метанолу проти 32 МДж/л для бензину) призводить до збільшення майже в 2 рази питомої витрати спиртового палива і вимагає для забезпечення однакового запасу ходу майже удвічі більший об'єм паливного бака для метанолу.

-низький тиск насиченої пари і висока теплота випару, в 4-5 разів перевищують показники вуглеводневих палив, утрудняють, а іноді навіть роблять неможливим пуск двигуна при низьких температурах;

- необмежена розчинність метанолу у воді, контакту з якою практично неможливо уникнути при зберіганні, транспортуванні, заправці і т.і.; попадання навіть невеликої кількості води різко погіршує експлуатаційні властивості спиртових палив, призводить до вимивання спиртів з бензину і переходу їх в нижній водно-спиртовий шар;

-висока корозійна агресивність самих спиртів і особливо продуктів їх перетворень (низькомолекулярні кислоти, альдегіди і тому подібне), що посилюється у присутності води.

-спирти роблять негативний вплив на гумотехнічні і пластмасові деталі устаткування і двигунів, викликаючи їх набрякання (а іноді і розчинення) і вимір геометричних розмірів з усіма витікаючими наслідками.

-переход з вуглеводневих палив на спиртові вимагає істотної модернізації або зміни настройки та керування системи подання палива, зокрема співвідношення повітря : паливо, яке для спиртових палив значно нижче із-за наявності кисню в останніх, а також зміни міри стискування і інших параметрів двигуна.

Та ще більш спеціальних методів необхідно використувати для запобігання цим недолікам.

Розглянуті недоліки чисто спиртових палив перекривають їх переваги. Це привело до того, що спиртові палива не застосовуються в дизельних двигунах і знайшли обмежене застосування лише в двигунах з іскровим запаленням спортивних автомобілів. Тому нині усе більш широке застосування знаходять так звані сумішеві палива, тобто вуглеводневі палива, що містять низькомолекулярні спирти в кількостях від декількох відсотків (5-10) до десятків відсотків (85-95).

Поки що метанол як паливний елемент занадто дорогий. Висока ціна визначається передусім вартістю платини і рутенію, що використовуються як каталізатори при його добуванні. Хіміки працюють над зменшенням необхідної кількості каталізатора : роблять його активнішим, збільшують відношення його поверхні до об'єму і задіють нанотехнології. Досягнувши зрілості, ця технологія повинна витіснити водневі паливні елементи.

1.6 Вплив на екологію

Завдяки низьким температурам горіння спиртів на одиницю енергії, що витрачається, і палива виділяється значно менше, ніж у бензину оксидів азоту. Одночасно внаслідок поліпшення повноти згорання спиртових сумішей викиди СO і СН_x також зменшуються. Викиди канцерогенних ароматичних вуглеводнів також на порядок нижче, ніж при роботі двигуна на дизелі. Разом з позитивною екологічною ефективністю використання спиртових палив слід зазначити і такі негативні явища, як підвищені викиди альдегідів і випару вуглеводневих з'єднань. Для метанолу характерні викиди формальдегіду, тоді як при згоранні етанолу утворюється переважно ацетальдегід. Мінімальні викиди альдегідів відповідають стехіометричному складу паливної суміші і зростають при її збідненні або збагаченні. В середньому викиди альдегідів при роботі на спиртах приблизно в 2-4 рази вище, ніж при роботі на нафтовому паливі.

Розлянему таблицю де порівнюється рівень шкідливих речовин , від горіння бензину, М- 85 і М- 100.

Таблиця 4.2- Рівень викидів шкідливих речовин, при використанні як паливо бензину, М- 85 і М- 100

1.7 Висновок по спиртово-паливним сумішам

Використання чистого метанолу як палива (паливо М- 100) для двигунів внутрішнього згорання вимагає істотної реконструкції двигуна транспортного засобу і обережності в зверненні. Використання метанолу вимагає переобладнання двигуна і паливної системи : перерегулювання карбюраторів бензинових двигунів, збільшення об'єму паливних баків, нових мастильних матеріалів, заміни матеріалів прокладень, спеціальних протикорозійних паливних баків або застосування спеціальних присадок.

Слід зазначити, що широке застосування спиртів в якості моторних палив для дизелів стримується тією обставиною, що по ряду фізико-хімічних властивостей вони істотно поступаються дизельним паливам. Основним недоліком спиртів є погана займистість в циліндрах дизелів, що вимагає використання різних заходів для їх примусового займання. При низьких температурах запустити двигун на метанолі дуже важко.

На протікання робочого процесу в дизелі істотний вплив роблять відмінності у фізико-хімічних властивостях спиртових і дизельних палив. Зокрема, більший вміст кисню в спиртовому паливі і його стабільніші температурні характеристики призводять до зниження димності випускних газів і вмісту в них продуктів неповного згорання. Знижені значення в'язкості і поверхневого натягнення спиртових палив роблять значний вплив на якість розпилювання, а відмінність в теплофізичних властивостях, відповідно, на процеси випару, суміше утворення і згорання.

Добавка води істотно знижує енергетичні властивості спиртів : при змісті 10 % води в метанолі його теплота згорання знижується на 2,1 МДж або на 11 %. Істотним недоліком спиртових палив є їх підвищена корозійна активність і агресивність по відношенню до деяких видів пластмаси, що посилюється гігроскопічністю метанолу і етанолу. Низьке значення цетанового числа компенсується високими величинами октанових чисел : по дослідницькому методу октанове число метанолу оцінюється в 104-115 од., по моторному - 87,0-94,6 од. Для етанолу октанове число по дослідницькому методу складає 106 од. Добавка води веде до підвищення октанового числа спиртів, наприклад, додавання 10 % вод до метанолу викликає зростання октанового числа по дослідницькому методу з 109,6 до 114 одиниць. Тому спиртові палива використовувалися головним чином в двигунах з примусовим займанням: організація роботи дизеля на чистому спиртовому паливі скрутна із-за низьких значень цетанових чисел.

Зокрема, теплота випару метанолу в 4,4 разу більше теплоти випару дизельного палива (відповідно 1 115 і 250 кДж/кг) при низькій температурі кипіння, що обумовлює надмірне охолодження повітряного заряду при випарі спирту і при низьких ЦЧ і високих температурах самозаймання спиртів призводить до їх поганого займання в дизелі. Менші значення нижчої теплоти згорання в порівнянні з дизельним паливом (відповідно 19 670 і 42 500 кДж/кг) призводять до необхідності коригування циклового подання палива для збереження потужностних показників дизеля

Для горіння метанолу потрібно в два рази менше повітря, ніж для бензину, тому об'єм подання метанолу має бути збільшений в два рази в порівнянні з бензином.

Сучасні спиртові двигуни встановлені на гоночних автомобілях можуть добре працювати на метанолі, при цьому технічні характеристики двигуна покращуються: підвищується ККД, завдяки внутрішньому охолодженню і підвищенню міри стискування.

Токсикологічні властивості спиртів давно відомі. Якщо токсичність етанолу низька, то метанол являється нервово - судинною отрутою, що має здатність накопичуватися в організмі. Тому при роботі з метанолом треба строго дотримуватися правил і інструкцій техніки безпеки.

Широкому використанню метанолу як моторного палива або його компонентів перешкоджають економічні показники

Таблиця 4.3 -Зрівняльні характеристики метанолу, етанолу та дизельного палива

Размещено на Allbest.ru