Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСЩЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

АНДИЖАНСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА «НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПО ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Тема квалификационной работы:

Проект получения и использования синтез-газа на борту автомобиля

Выпускник:

Раим?улов Чоп?ин

Руководитель:

доц. Носиров И.З.

Андижан- 2013 год

АНДИЖАНСКИЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА «НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ»

ЗАДАНИЕ НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ

Выпускник: студент 4- курса русской группы направления 5521200- «Эксплуатация и ремонт транспортных средств» Раим?улов Чоп?ин

1. Тема выпускной квалификационной работы: Проект получения и использования синтез газа на борту автомобиля.

Утвержден приказом ректора института № 276 от 19 декабря 2012 г.

2. Сведения по выполнению выпускной работы:

· Постановления правительства РУз.;

· Научно- техническая литература;

· Виды и техническая характеристика синтез газов;

· Нормативы безопасной жизнедеятельности и экологии;

· Технико-экономические показатели.

3. Содержание расчетно-пояснительной записки:

1). Введение: Постановления правительства РУз. По выполняемой теме.

2). Актуальность темы: Значение синтез газов в полном сгорании топлива в двигателе внутреннего сгорания.

3). Обзор литературы: Анализ научно-технической литературы по синтез-газам. Их преимущества и недостатки.

4). Основная часть: Проектирование новой технологии получения синтез газов. Технологический и конструкционный расчеты.

5). Конструкторская часть: Устройство по получению и использованию синтез газа на борту автомобиля.

6).Экономическая часть: Расчет экономической эффективности не предусмотрен.

7). Безопасность жизнедеятельности: Разработка правил техники безопасности по эксплуатации устройства по получению и использованию синтез газа на борту автомобиля.

8). Заключение и предложения: Разработка рекомендации по исользованию синтез газа на борту автомобиля.

9). Список использованной литературы: Постановления правительства РУз., научно- техническая литература, материалы интернета.

10). Приложения: Копии материалов по выполненной теме и материалов интернета.

4. Список чертежей выпускной квалификационной работы:

1. Схема получения синтез-газа на автомобиле;

2. Получение синтез-газа на автомобиле;

3. Схема получения синтез газа по АндМИ;

4. Устройства для получения синтез- газа на автомобиле.

5. Список консультантов по разделам выпускной квалификационной работы:

№	Наименование разделов	Начальный срок	Срок окончания	Подпись	ФИО консультантов
1	Введение	31.12.2012 г.	20.01.2013 г.		Нoсирoв И.З.
2	Актуальность темы	20.01.2013 г.	01.02.2013 г.		Нoсирoв И.З.
3	Обзор литературы	01.02.2013 г.	15.02.2013 г.		Нoсирoв И.З.
4	Основная часть	15.02.2013 г.	05.03.2013 г.		Нoсирoв И.З.
5	Конструкторская часть	05.03.2013 г.	20.03.2013 г.		?осимов К.З.
6	Безопасность жизнедеятельности	01.04.2013 г.	15.04.2013 г.		Абдурахмонов А.
7	Заключение и предложения	15.04.2013 г.	01.05.2013 г.		Нoсирoв И.З.
8	Литература	01.05.2013 г.	10.05.2013 г.		Нoсирoв И.З.
9	Приложения	10.05.2013 г.	01.04.2013 г.		Нoсирoв И.З.
10	1- чертёж	01.04.2013 г.	15.04.2013 г.		Нoсирoв И.З.
11	2- чертёж	15.04.2013 г.	01.05.2013 г.		?осимов К.З.
12	3- чертёж	01.05.2013 г.	10.05.2013 г.		Нoсирoв И.З.
13	4- чертёж	10.05.2013 г.	15.05.2013 г.		Сaримсo?oв А

Дата получения задания: 20.12.2012 г.

Дата сдачи завершённой выпускной работы: 15.05.2013 г.

Руководитель ВКР: доц. И.Носиров

Получил задание для выполнения: Ч. Раим?улов

Зав. кафедрой, к.т.н. Н.Икромов

ОГЛАВЛЕНИЕ

синтез газ топливо автомобиль

ВВЕДЕНИЕ

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

4. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Техника безопасности при использовании синтез-газа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

В книге И. Каримова "Узбекистан на пороге XXI века: угрозы безопасности, условия и гарантии прогресса" отмечено, что успех деятельности предприятий, да и в целом государства, в силу ограниченности естественных, природных ресурсов, в значительной мере сегодня определяется тем, насколько широко внедряются достижения научно- технического прогресса, наукоемкие технологии, уровнем профессиональной подготовленности кадров. Исторически сложилось так, что на пороге ХХI века в Республике Узбекистан сформирован интеллектуальный потенциал, который по своему уровню развития, инновационным открытиям, возможностям превосходит сегодня многие развивающиеся страны мира, а во многом и не уступает экономически развитым странам [1-2].

И. Каримов выступил с докладом на состоявшемся 29 января 2012 года заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2011 году и важнейшим приоритетам экономической программы на 2012 год. В нем отмечено, что благодаря правильно избранной стратегии развития, обновления, модернизации страны, мобилизации сил и возможностей в прошлом году в деле выполнения Антикризисной программы мер на 2009-2012 годы достигнуто не только преодоление последствий и угроз глобального кризиса, но и обеспечены стабильные темпы экономического и социального развития, рост благосостояния народа [3-6].

В докладе намечен ряд важнейших приоритетных задач и направлений. Среди них - осуществление активной инвестиционной политики по реализации стратегически значимых проектов, направленных на модернизацию, техническое и технологическое обновление ведущих базовых отраслей, развитие мощной современной сети транспортных и инфраструктурных коммуникаций.

Он особо подчеркнул, как глубоко в ней проанализировано воздействие мирового финансового кризиса на экономику Узбекистана и факторы, предупредившие его. В частности он отметил особую роль роста выпуска легковых автомобилей ЗАО “GM-Uzbekistan” в экономике Андижанской области, да и Республики. В шагу с расширением производства автомобилей создаются рабочие места. Их численность если до конца 2011 года превышала 5000 единиц, то в 2012 году уже вновь созданы более 200 рабочих мест по выпуску комплектующих для наших автомобилей. Здесь отрадно то, что более 20 выпускников ежегодно нашего института становятся штатными персоналами инженерно- управленческого ранга ЗАО “GM-Uzbekistan [7]

Сегодня из конвееров ЗАО “GM- Uzbekistan” выпускаются современные легковые автомобили марок “Dаmаs”, “Mаtiz”, “Spаrk”, “Nеksiya”, “Lаsеtti”, а также собираются модели “Kаptivа” и “Epikа”. Их качество изготовления и эксплуатационная надежность не уступают автомобилям других ведущих стран.

Однако известно, что транспортно-дорожный комплекс является мощным источником загрязнения природной среды. Выбросы от автомобильного транспорта Республики составляют около 22 млн.т в год. Отработанные газы двигателей внутреннего сгорания содержат более 200 наименований вредных веществ, в т.ч. канцерогенных. Нефтепродукты, продукты износа шин и тормозных колодок, сыпучие и пылящие грузы, хлориды, используемые в качестве антиобледенителей дорожных покрытий, загрязняют придорожные полосы и водные объекты [8].

Сравнительный анализ выхлопа автомобилей ЗАО «GM- Узбекистан» показал, что из выпускаемых автомобилей, автомобиль «DAMAS LPGi», при выпуске не отвечает требованиям K-ULEV. Предельные результаты при измерении отвечает требованиям ЕВРО-2 на 80%, а требованиям ЕВРО 3 пока полностью не отвечает. При дальнейшем выпуске автомобилей согласно перспективного плана до 2019 года, на эти автомобили будут вносить изменения в систему питания [9].

Если перекалибруем автомобили DAMAS LPGi под требования ЕВРО-3, в дальнейшем с повышением требований к системе питания может потребоваться перекалибровка и используемого топлива.

В Андижанском машиностроительном институте также проводится научно- конструкторская работа совместно со специалистами общества охраны природы и ЗАО «GM- Узбекистан» по созданию генератора синтез газа из отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания автомобилей [10].

Нам, будущим специалистам автомобилестроения необходимы дополнительные знания по усовершенствованию конструкции двигателей и снижению токсичности отработавших газов, не уступающие в мире другим аналогам.

В настоящей выпускной работе я решил анализировать и выбрать тип генератора синтез газа отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, который будет легко установлен в впускной коллектор после воздушного фильтра. С помощью этого генератора синтез газа часть отработавших газов (около 50 %) подается через трубку в реакционную камеру, в которой имеется уголь. В эту камеру также подводится через вторую трубку нагретый водяной пар, который образуется в соседней камере, надетой на глушитель. Второй конец второй камеры подсоединен к водяному бачку. При этом отработавшие газы, проходя вокруг реакционной камеры, нагревают уголь до температуры 700-800^оС, и тем самым образует окись углерода СО, куда и подается нагретый водяной пар, который смешиваясь СО образует синтез газ. Синтез газ, состоит из СО (40-60%) и Н₂ (30-50%), который. получаем конверсией угля с водным паром и О₂. Синтез газ, через трубку подаётся в цилиндры двигателя, который легко сгорает и тем самым способствует экономию топлива в среднем на 30 % и снижению окиси углерода на 200 %.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Трудно представить себе сегодня человеческую цивилизацию без автомобиля. В развитых странах он стал не только основным транспортным средством, но и частью быта. Естественное стремление человека к свободе передвижения, усложнение функций в производственной деятельности и сфере услуг, наконец, сама жизнь в больших городах, городских агломерациях- все это обуславливает рост числа легковых автомобилей индивидуального пользования и увеличение объема грузовых перевозок. Уровень автомобилизации уже давно стал одним из основных показателей экономического развития страны, качества жизни населения.

Однако достижения научно-технического прогресса приносят людям не только пользу, но и вред. «За все надо платить», - говорит древняя мудрость. Плата за автомобиль - наше здоровье, наша жизнь. Это вероятность дорожно-транспортных происшествий, несчастных случаев. Это неизбежность вреда от загрязнения окружающей среды выбросами отработавших газов, транспортного шума, иных физических воздействий. От них приходится страдать всем людям, даже тем, кто никогда не пользуется автомобилем. И не только людям - всей природе. Создает эти вредные воздействия на среду, конечно не дорога, а автомобиль. Дорога защищает среду от автомобиля. Долг инженера - проектировщика, строителя, эксплуатационника в том, чтобы сделать эту защиту эффективнее и дешевле.

Известно, что все всем мире с увеличением числа автомобилей загрязняется атмосферный воздух от отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Поэтому, ведущие автопромыщленники мира отказываются от нефтяного углеводородного топлива и переводят свои автомобили на альтернативные, экологически безвредные топлива. Так, уже сегодня в США 20 % из выпускаемых автомобилей переведены на биотопливо. В Бразилии с 1980 г.г. 90 % автомобилей работают на спирте, получаемый из сахарного тростняка. На острове Хоккайдо (Япония) с 1960 г.г. не один автомобиль не сжигает нефтяное топливо, а они заправляют свои автомобили метанолом, получаемый из отходов бытового и промышленного происхождения, т.е. остров давно объявлен «эко островом» [10].

Ученые давно установили, что для нормальной жизнедеятельности человека в воздухе концентрация кислорода должна быть около 20 %, Однако с увеличением числа автомобилей сегодня нет и половины этого норматива. Катастрофическим пределом концентрации кислорода считается 5 %, т.е. при этом не один человек и животное не может выжить. Официально объявлено, что в атмосфере г. Токио содержится уже 7 % килорода [11].

Человечество слишком медленно подходит к пониманию масштабов опасности, которую создает легкомысленное отношение к окружающей среде. Между тем решение (если оно еще возможно) таких грозных глобальных проблем, как экологические, требует неотложных энергичных совместных усилий международных организаций, государств, регионов, общественности.

За время своего существования и особенно в XX веке человечество ухитрилось уничтожить около 70 процентов всех естественных экологических (биологических) систем на планете, которые способны перерабатывать отходы человеческой жизнедеятельности, и продолжает их "успешное" уничтожение. Объем допустимого воздействия на биосферу в целом превышен сейчас в несколько раз. Более того, человек выбрасывает в окружающую среду тысячи тонн веществ, которые в ней никогда не содержались и которые зачастую не поддаются, или слабо поддаются переработке. Все это приводит к тому, что биологические микроорганизмы, которые выступают в качестве регулятора окружающей среды, уже не способны выполнять эту функцию.

В Узбекистане также тяжелая экологическая обстановка усугубляется с увеличением автомобильного парка. Если в 90-е годы на каждые 1000 чел. приходились 70 автомобилей, то в 2013 году уже приходится 105 автомобилей.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

При выполнении настоящей ВКР я ознакомился многими произведениями, речами президента Р.Уз. И.Каримова, постановления правительства, научно- технической литературой и нормативными документами.

В книге И.Каримова "Узбекистан на пороге XXI века:
угрозы безопасности, условия и гарантии прогресса" отмечено, сегодня насколько широко внедряются достижения научно- технического прогресса, наукоемкие технологии, уровень профессиональной подготовленности кадров. В Республике сформирован интеллектуальный потенциал, который по своему уровню развития, инновационным открытиям, возможностям превосходит сегодня многие развивающиеся страны мира, а во многом и не уступает экономически развитым странам [1].

В докладе И. Каримова на состоявшемся 29 января этого года заседании Кабинета Министров, посвященном итогам социально-экономического развития страны в 2011 году отмечено, что благодаря правильно избранной стратегии развития, обновления, модернизации страны, мобилизации сил и возможностей в прошлом году в деле выполнения Антикризисной программы мер на 2009-2012 годы достигнуто не только преодоление последствий и угроз глобального кризиса, но и обеспечены стабильные темпы экономического и социального развития, рост благосостояния народа [3].

Среди них- осуществление активной инвестиционной политики по реализации стратегически значимых проектов, направленных на модернизацию, техническое и технологическое обновление ведущих базовых отраслей, развитие мощной современной сети транспортных и инфраструктурных коммуникаций.

В книге Каримова И.А. "Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана" он отметил особую роль роста выпуска легковых автомобилей ЗАО “GM-Uzbekistan” в экономике Андижанской области, да и Республики. Он также отметил для полного выхода из финансово- экономического кризиса, необходимо бережно использовать нефтепродукты, выпускать более экономичные автомобили [4-6].

Проблема экономии топлива автотранспорта и снижения токсичности выхлопа ДВС автотранспорта по- прежнему весьма актуальная в мире, в связи с высокими ценами на топливо и низким КПД двигателей автомобилей.

Поэтому все автоновинки, позволяющие решать данные задачи, а именно экономить бензин, улучшать экологию автомобильного двигателя и одновременно повышать мощность ДВС- по прежнему актуальны и востребованы рынком.

История знает немало примеров, когда в силу острой необходимости рождались новые оригинальные подходы к решению давно существующих жизненно важных проблем. Так, в предвоенной Германии, лишенной доступа к нефтяным источникам, назревал жесткий дефицит топлива, необходимого для функционирования мощной военной техники. Располагая значительными запасами ископаемого угля, Германия была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была успешно решена усилиями превосходных химиков, из которых, прежде всего следует упомянуть Франца Фишера, директора Института Кайзера Вильгельма по изучению угля.

В 1926 году была опубликована работа Ф. Фишера и Г. Тропша "О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении", в которой сообщалось, что при восстановлении водородом монооксида углерода при атмосферном давлении в присутствии различных катализаторов (железо- оксид цинка, или кобальт- оксид хрома) при 270^оС получаются жидкие и даже твердые гомологи метана [12].

Так возник знаменитый синтез углеводородов из монооксида углерода и водорода, называемый с тех пор синтезом Фишера- Тропша. Смесь CO и H₂ в различных соотношениях, называемая синтез газом, легко может быть получена как из угля, так и из любого другого углеродсодержащего сырья.

Следует отметить, что к моменту разработки синтеза Фишера- Тропша существовал другой способ получения жидкого топлива- не из синтез газа, а непосредственно из угля прямой гидрогенизацией. В этой области значительных успехов добился также немецкий химик Ф. Бергиус, который в 1911 году получил из угля бензин. Справедливости ради подчеркнем, что синтез Фишера-Тропша возник не на пустом месте- к тому времени существовали научные предпосылки, которые базировались на достижениях органической химии и гетерогенного катализа. Еще в 1902 году П. Сабатье и Ж. Сандеран впервые получили метан из СО и H₂. В 1908 году Е. Орлов открыл, что при пропускании монооксида углерода и водорода над катализатором, состоящим из никеля и палладия, нанесенных на уголь, образуется этилен.

Промышленность искусственного жидкого топлива достигла наибольшего подъема в годы второй мировой войны. Достаточно сказать, что синтетическое топливо почти полностью покрывало потребности Германии в авиационном бензине. После 1945 года в связи с бурным развитием нефтедобычи и падением цен на нефть отпала необходимость синтеза жидких топлив из СО и Н₂. Наступил нефтехимический бум. Однако в 1973 году разразился нефтяной кризис- нефтедобывающие страны ОПЕК (Организация стран экспортеров нефти- Organization of Petroleum Exporting Countries) резко повысили цены на сырую нефть, и мировое сообщество вынуждено было осознать реальную угрозу истощения в обозримые сроки дешевых и доступных нефтяных ресурсов. Энергетический шок 70- х годов возродил интерес ученых и промышленников к использованию альтернативного нефти сырья, и здесь первое место, бесспорно, принадлежит углю. Мировые запасы угля огромны, они, по различным оценкам, более чем в 50 раз превосходят нефтяные ресурсы, и их может хватить на сотни лет. Нет никаких сомнений, что в обозримом будущем использование синтез газа будет играть ключевую роль не только и не столько для производства "угольных" топлив (здесь трудно пока конкурировать с нефтяным топливом), но, прежде всего для целей органического синтеза. В настоящее время в промышленном масштабе по методу Фишера-Тропша получают бензин, газойль и парафины только в Южной Африке. На установках фирмы "Sasol" производят около 5 млн. т. в год жидких углеводородов [13].

Отражением интенсификации исследований по синтезам на основе СО и Н₂ является резкое возрастание публикаций, посвященных химии одноуглеродных молекул (так называемая С1-химия). С 1984 года начал издаваться международный журнал "C1-Molecule Chemistry". Таким образом, мы являемся свидетелями наступающего ренессанса в истории углехимии. Рассмотрим некоторые пути превращения синтез газа, приводящие к получению как углеводородов, так и некоторых ценных кислородсодержащих соединений. Важнейшая роль в превращениях СО принадлежит гетерогенному и гомогенному катализу [14].

А как насчет экологии? Обычное топливо подается в двигатель, после него ставятся трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, которые восстанавливают оксиды азота, дожигают СО и СН. Откуда они берутся? Видимо, бензин плохо сжигается, то есть что- то не так делается изначально в двигателе. Поэтому надо бороться не со следствием, а с причиной. А причина в том, что надо топливо сжигать при наличии водорода либо синтез газа, тогда происходит более благоприятное сжигание и не образуются эти оксиды. Если использовать технологию, основанную на синтез газе, то вместо СО и Н₂ на выходе получите СО₂ и воду.

В зависимости от направления движения топлива и продуктов химических реакций в этих зонах различают прямой и обращенный процессы газификации. Оба процесса имеют свои достоинства и недостатки. Прямой процесс почти не накладывает ограничений на вид и влажность топлива, но зато получаемый газ очень грязный и содержит большое количество пиролизных смол. Очистка газа для использовании в двигателях внутреннего сгорания требует сложных и дорогостоящих систем очистки с каталитическим расщеплением смол. Обращенный процесс накладывает ограничения на влажность топлива, что вызывает необходимость в топливоподготовке, но зато обеспечивает получение более чистого генераторного газа с минимальным содержанием пиролизных смол.

Дополнительным средством снижения токсичности является система рециркуляции отработавших газов. Рециркуляция- это возврат (перепуск) части отработавших газов во впускную трубу, т.е. обратно в двигатель. Такое, казалось бы «противоестественное» решение уже давно (более 20 лет) широко применяется на многих зарубежных автомобилях с целью снижения выброса в атмосферу окислов (оксидов) азота. Появление этих токсичных компонентов в отработавших газах является следствием высоких температур и давлений в камере сгорания, напрямую связанных с повышением эффективности сжигания топлива в двигателе. Чем она выше, т.е. чем выше топливная экономичность и мощность двигателя, тем, как правило, выше выброс окислов азота. Возвращая часть (до 10- 20 % отработавших газов) обратно на впуск, сознательно «портят» процесс сгорания, замедляя его скорость, снижая температуру и давление в цилиндре, т.е. создают условия, способствующие уменьшению выброса оксидов азота. Следует отметить, что рециркуляция отработавших газов- наиболее удобный и наименее «вредный» с точки зрения ухудшения показателей двигателя способ снижения выброса оксидов азота среди других известных средств, таких как уменьшение угла опережения зажигания, снижение степени сжатия, подача воды и т. п.

[

Рис. 1. Схема системы рециркуляции отработавших газов: 1- карбюратор; 2- термовакуумный выключатель клапана рециркуляции; 3- впускная труба; 4- выпускной коллектор; 5- клапан рециркуляции; 6- трубка рециркуляции.

Основным элементом системы рециркуляции отработавших газов на двигателях ВАЗ является запорный клапан 5, перекрывающий канал 6 (трубку рециркуляции), связывающий выпускной коллектор 4 и впускную трубу 3. Запорный клапан 5, называемый клапаном рециркуляции, установлен непосредственно на выпускном коллекторе 4 и управляется вакуумным диафрагменным механизмом с возвратной пружиной. При росте разрежения над диафрагмой клапана рециркуляции шток диафрагмы, преодолевая сопротивление относительно слабой пружины, тянет за собой и открывает тарельчатый клапан на канале для прохода отработавших газов в задроссельное пространство впускной трубы 3. Разрежение для управления клапаном рециркуляции отбирается, подобно разрежению для вакуумного регулятора опережения зажигания, из отверстия выше кромки закрытой дроссельной заслонки первичной камеры карбюратора. Для этого на карбюраторе используются два соединенных тройником штуцера от двух отверстий у кромки дроссельной заслонки, расположенных одно над другим. Это делается для замедления роста разрежения в диафрагменной камере клапана рециркуляции в самом начале открытия дроссельной заслонки, необходимого для обеспечения требуемого закона открытия клапана рециркуляции.

Таким образом, отработавшие газы подаются обратно в двигатель только при частичном открытии дроссельной заслонки [при частоте вращения коленчатого вала двигателя 2500- 3000 об/мин], когда во впускной системе имеется некоторое разрежение. При полном открытии дроссельной заслонки разрежение во впускной системе практически отсутствует, и клапан рециркуляции закрыт. Клапан рециркуляции закрыт и при полностью закрытой дроссельной заслонке, когда управляющие отверстия в карбюраторе оказываются выше ее верхней кромки. Разрежение от карбюратора для управления клапаном рециркуляции поступает по гибкому шлангу и проходит через термовакуумный выключатель 2 клапана рециркуляции, который при температуре охлаждающей жидкости ниже 40...48^оС, препятствует поступлению разрежения в диафрагменную камеру клапана рециркуляции. Это делается для улучшения ездовых качеств непрогретого двигателя.

Разрабатываемые всем мире устройства «генераторы синтез газа»- свободно от большинства недостатков предыдущих вариантов на водороде, получаемые из топливных элементов и электролизере. Во- первых, не требуется водородных заправочных станций, наличия дополнительной электрической энергии и дистиллированной воды на борту автомобиля. Во- вторых, стоимость такого генератора в несколько раз ниже стоимости электролизера, в его составе отсутствуют драгметаллы, что снимает ограничение по массовости производства. Сам автомобиль остается однотопливным, что удобно как производителям автомобиля, так и его пользователям.

Вся проблема упиралась в выбор типа топлива, проектирование генератора синтез газа и выбор соответствующего катализатора. Для генерирования синтез газа авторами совместно с Институтом катализа (г. Новосибирск) был предложен способ каталитического частичного риформинга топлива с использованием доступных катализаторов, как наиболее простой и дешевый. Только качество бензина, состав которого на всех заправках разный, приводит к резкому усложнению схемы генератора синтез газа, к тому же выход водорода из бензина не самый лучший.

При выполнении настоящей ВКР я также использовал следующую литературу:

О трёх основных промышленных методах получения синтез газа изучил в книге Караханова Э. А., «Что такое нефтехимия» [15].

О газификации твердых топлив в городах Европы и Северной Америки изучил в книге Харитонова Ю. Я. «Комплексные соединения» [16].

О государственной программе энергосбережения изучил в книге Э. Фальбе «Комплексные соединения» [18].

Об роторном рекуператоре, установленом на автомобиль «Toyota Levin» получил данные в книге Бекаева Л. С., и др. «Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию» [18].

О закручивании отработавщих газов получил данные в статье Носирова И.З. и Сибгатуллина М. «Замонавий енгил автомобилларга Т?К ва таъмирлаш даврийлигини ошириш» [19].

Об экономии от 20 до 40% топлива и снижении СО в несколько раз, добившись выполнения норм Евро-4 получил данные в книге Амбарцумяна В.Б. ”Экологическая безопасность автомобильного транспорта” [20].

О том, что при работе двигателя в трубу «вылетает» почти вся таблица Менделеева узнал в книге ”Экологическая безопасность транспортных потоков” под редакцией А.Б. Дьякова [22].

О том, что в начале рабочего хода давление достигается в цилиндрах легковых автомобилей узнал в Справочнике водителя автомобиля [23].

Об экономии на каждой заправке узнал в книге Автомобили «Мерседец- Бенц» [24].

О выходе синтез газа из 1 кг органического сухого вещества узнал в книге «Экологические проблемы развития автомобильного транспорта» [25].

О добавке воздуха в синтез газ узнал в книге «Экологические проблемы развития автомобильного транспорта» [26].

3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Первым способом получения синтез газа была газификация каменного угля, которая была осуществлена еще в 30-е годы XIX века в Англии с целью получения горючих газов: водорода, метана, монооксида углерода. Этот процесс широко использовался во многих странах до середины 50-х годов XX века, а затем был вытеснен методами, основанными на использовании природного газа и нефти. Однако в связи с сокращением нефтяных ресурсов значение процесса газификации снова стало возрастать. В настоящее время существуют три основных промышленных метода получения синтез газа [15].

1. Газификация угля. Процесс основан на взаимодействии угля с водяным паром:

C + H₂O - H₂ + CO

Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах 900- 1000^оС. Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:

C + 1/2O₂-CO

2. Конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al₂O₃) при повышенных температурах (800-900 ^оС) и давлении:

CH₄ + H₂O > CO + 3H₂

В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.

3. Парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300 ^оС:

C_nH_{2n + 2} + 1/2nO₂ > nCO + (n + 1)H₂

Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти- мазут.

Соотношение СО : Н₂ существенно зависит от применяемого способа получения синтез газа. При газификации угля и парциальном окислении это соотношение близко к 1 : 1, тогда как при конверсии метана соотношение СО : Н₂ составляет 1 : 3. В настоящее время разрабатываются проекты подземной газификации, то есть газификации угля непосредственно в пласте. Интересно, что эта идея была высказана Д.И. Менделеевым более 100 лет назад. В перспективе синтез газ будут получать газификацией не только угля, но и других источников углерода вплоть до городских и сельскохозяйственных отходов.

Газификация- высокотемпературный процесс взаимодействия углерода топлива с окислителями, проводимый с целью получения горючих газов (Н₂, СО, СН₄). В качестве окислителей, которые иногда называют газифицирующими агентами, используют кислород (или обогащенный им воздух), водяной пар, диоксид углерода, либо смеси указанных веществ. В зависимости от соотношения исходных реагентов, температуры, продолжительности реакции и других факторов можно получать газовые смеси самого разного состава.

Впервые промышленная реализация газификации твердых топлив была осуществлена в 1835 г в Великобритании. К 50-м годам XIX в. практически во всех крупных и средних городах Европы и Северной Америки действовали газовые заводы для производства отопительного, бытового и светильного газа [16]. К середине XX в этот процесс получил широкое развитие в большинстве промышленных стран мира. Например, в Росии в 50-е годы работало свыше 350 газогенераторных станций, на которых было установлено около 2500 газогенераторов. Эти станции вырабатывали ежегодно 35 млрд. м³ энергетических и технологических газов. Это был "золотой век" газификации угля. Начиная с 60-х годов XIX в., все более серьезную конкуренцию углю начинает оказывать нефть. В начале 1960-х годов разработка месторождений дешевой нефти на Ближнем Востоке и в Западной Сибири привела практически к полной ликвидации этой отрасли промышленности. Как известно, в последующие 20-25 лет в мировом энергетическом балансе происходили изменения, обусловленные ростом добычи и потребления нефти, попутных и природных газов. Вследствие этого конкурентоспособность искусственных энергетических и технологических газов, получаемых из твердых топлив, резко снизилась, и их производство практически повсеместно было прекращено. Сохранились лишь небольшие островки в уникальных регионах. Например, в ЮАР углепереработка (главным образом на основе газификации угля) стала крупной промышленным сектором из- за эмбарго на поставку нефти. Началось триумфальное шествие нефти. Однако уже в 1972 г. оно омрачилось первым "энергетическим кризисом", который по существу был спровоцирован на политической основе странами- участниками ОПЕК. Мировые цены на нефть подскочили с 5-7 до 24 долл. США за баррель (1 т сырой нефти сорта Brent ? 8,06 баррелей), и стало ясно, что углепереработку списывать в архив рано, так как в большинстве развитых стран много угля и мало или совсем нет нефти.

Этот кризис преподнес цивилизованному миру очень важный урок. Во- первых, все осознали, что запасы углеводородного сырья распределены крайне неравномерно и неудобно, и во- вторых, эти запасы- исчерпаемы. Запасы же угля и других твердых горючих ископаемых- нефтяных сланцев, битумных песков, торфа и т.п. распределены более равномерно, и сроки их исчерпания оценивается многими сотнями лет. Но самый главный результат этот кризиса заключается в активизации работ по энергосбережению.

Однако в последние годы в связи с сокращением ресурсов нефтяного и газового сырья процесс газификации твердых горючих ископаемых вновь привлек к себе внимание, искусственные газы опять начинают рассматриваться как одна из существенных составляющих теплового баланса. Например, в США планировалось к 1990 г построить 63 завода этого профиля средней мощностью~7 млн. м³ газа в сутки каждый. Их годовая выработка составляла 140 млрд. м³, а к 2000 г увеличилась до 220- 250 млрд. м³, что соответствует~23% потребности США в энергетических и технологических газах.

В середине 1980-х годов интерес к углепереработке пошел на убыль. Причин несколько.

Во- первых, политикой "кнута и пряника" США установили контроль над странами- производителями нефти. Наиболее амбициозных (Ирак, Иран) наказали в назидание другим. В результате рост цен на нефть замедлился. Сохранять равновесие поручили шестому флоту США и силам быстрого реагирования. Насколько это равновесие устойчиво покажет время.

В течение 1980-х годов цены на нефть снизились с 40 долл. США за баррель (что соответствует примерно 65 долл. США за баррель в современных ценах с поправкой на инфляцию) до минимального уровня 9,13 долл. США за баррель в декабре 1998 г. и в настоящее время колеблются в "коридоре" 17-27 долл. США за баррель.

Во-вторых, эффективно сработали государственные программы энергосбережения, что в конечном итоге привело к снижению темпа роста потребления нефти и природного газа. С середины 1970-х годов энергоемкость единицы ВВП в развитых странах снизилась на 22 %, а нефтеемкость на 38 % [17].

В- третьих, динамичное развитие нефтегазовой отрасли и масштабные работы по разведке новых месторождений нефти и газа показали, что запасы углеводородного сырья на самом деле значительно больше, чем предполагалось. Последние 20 лет ежегодный прирост разведанных запасов нефти и газа опережает их потребление, и прогнозные сроки исчерпания регулярно отодвигаются. По достаточно авторитетным данным глобальную замену нефти углем следует ожидать после середины XXI в., а замену природного газа углем- к концу века. Если, конечно, не произойдет прорыва в развитии технологии ядерного синтеза.

В- четвертых, ни одна из разрабатываемых технологий не позволила повысить рентабельность процесса получения жидкого топлива из угля в такой степени, чтобы "синтетическая нефть" могла конкурировать с природной нефтью.

В итоге “эпоха угля” не наступила и интерес к переработке угля уменьшился. Большинство программ было свернуто, а оставшиеся- радикально урезаны. Более десятка проектов были завершены на стадии 5-летней готовности, т.е. при изменении конъюнктуры рынка углеводородного сырья можно в течение 5 лет на основе демонстрационных установок производительностью 10- 60 т/ч по углю развернуть промышленное производство. Если от коммерческого использования технологий прямого и непрямого ожижения угля в конце 1980-х гг. пока отказались, то интерес к газификации угля хотя и уменьшился, но не прекратился. Например, в ряде регионов, где природного газа нет или мало (Северная Америка, Китай и др.), использование газа из угля для синтеза метанола и аммиака экономически оправдано и построен ряд промышленных предприятий.

В 1990-е годы бурное развитие получила внутрицикловая газификация для производства электроэнергии, т.е. использование бинарного цикла, при котором горючий газ утилизируется в газовой турбине, а продукты сгорания используются при генерации пара для паровой турбины. Первая коммерческая электростанция с внутрицикловой газификацией- Cool Water, США, шт. Калифорния, мощностью 100 МВт (60 т/ч по углю) была построена в 1983 г. Использовался газогенератор Texaco с подачей топлива в виде водо- угольной суспензии. После 1993 г. в разных странах было введено в эксплуатацию 18 электростанций с внутри цикловой газификацией твердого топлива мощностью от 60 до 300 МВт. На рис.2 приведены данные по мировому производству газа из твердых топлив с 1970 г., а в табл. 1- структура его потребления.

Рис. 2. Суммарная мощность газогенераторных установок

Таблица 1

Динамика потребления газа из угля в мире

№	Целевое использование	Использование в 2001 г., МВт по газу	Доля в 2001 г., %	Вводится в эксплуатацию до конца 2004 г., МВт по газу	Годовой прирост мощности в 2002-2004 гг., %
1.	Химическое производство	18 000	45	5 000	9,3
2.	Внутрицикловая газификация (производство электроэнергии)	12 000	30	11 200	31
3.	Синтез по Фишеру-Тропшу	10 000	25	0	0
4.	ВСЕГО	40 000	100	17 200	14,3

Необходимо отметить, что удельные капитальные затраты при использовании внутрицикловой газификации составляют примерно 1500 долл. США за 1кВт с перспективой снижения до 1000-1200 долл. США, в то время как для традиционной угольной ТЭС удельные капитальные затраты составляют примерно 800-900 долл. США за 1 кВт. Ясно, что ТЭС с внутрицикловой газификацией твердого топлива более привлекательна при наличии экологических ограничений в месте размещения и при использовании достаточно дорогого топлива, так как расход топлива на 1 кВт сокращается.

В настоящее время выявились следующие наиболее экономически эффективные области применения метода газификации:

- газификация сернистых и многозольных топлив с последующим сжиганием полученных газов на мощных тепловых электростанциях. В углях, ежегодно добываемых в России, содержится около 10 млн. т серы, большая часть которой при сжигании выбрасывается в атмосферу в виде токсичных оксидов серы и серооксида углерода. При газификации сернистых углей образуется сероводород, который можно сравнительно легко извлечь и затем переработать в товарную серу или серную кислоту

- газификация твердых топлив для крупномасштабного производства заменителей природного газа. Это направление имеет наибольшее значение для местного газоснабжения районов, удаленных от месторождений природного газа и нефти или от магистральных трубопроводов

- газификация твердых топлив с целью получения синтез газа, газов-восстановителей и водорода для нужд химической, нефтехимической и металлургической промышленности.

Процесс газификации зависит от многих факторов, влияющих на состав получаемого газа и его теплоту сгорания. В связи с этим до сих пор отсутствует единая общепринятая классификация методов осуществления рассматриваемого процесса. Ниже приведен один из возможных вариантов классификации.

· по виду дутья (газифицирующего агента): воздушное, воздушно-кислородное, паровоздушное, парокислородное.

· по давлению: при атмосферном давлении, при повышенном давлении.

· по размеру частиц топлива: газификация крупнозернистого (кускового), мелкозернистого и пылевидного топлива.

· по конструктивным особенностям реакционной зоны: в неподвижном плотном слое топлива, в псевдоожиженном слое топлива, в пылеугольном факеле.

· по способу выведения золы: в твердом виде, в виде жидкого шлака.

· по способу подвода тепла: при частичном сжигании топлива в газогенераторе, при смешении топлива с предварительно нагретым твердым, жидким или газообразным теплоносителем (регенеративный нагрев), при подводе тепла через стенку аппарата (рекуперативный нагрев).

· по назначению получаемого газа: получение газов с заданной теплотой сгорания (низкой- до 6700 кДж/м³, средней- от 12000 до 18000 кДж/м³ и высокой- от 30000 до 35000 кДж/м³); получение газов заданного состава.

· по способу обогащения конечного газа метаном: безостаточная газификация топлива в СО, СО₂ и Н₂ в сочетании с отдельной стадией метанирования СО и СО₂ водородом; газификация с полным выделением летучих и максимальным образованием метана в слое топлива; гидрогазификация.

Газификации может быть подвергнуто большинство известных видов твердых горючих ископаемых. При этом можно получить газ заданного состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели в значительной степени определяются температурой, давлением и составом применяемого дутья.

Газ с низкой теплотой сгорания образуется при использовании воздушного или паровоздушного дутья. В соответствии с этим его называют воздушным или паровоздушным (смешанным). Он характеризуется высоким содержанием балласта- азота (до 40- 50% об.), что обусловливает низкую теплоту сгорания такого газа. Основная область применения таких газов- сжигание в топках промышленных печей. Кроме того, после, конверсии содержащегося в них оксида углерода и очистки от СО₂ получают азотоводородную смесь- исходное сырье для синтеза аммиака.

Газы со средней теплотой сгорания получают в процессах паровой или парокислородной газификации твердых топлив под давлением до 2- 2,5 МПа. По составу они представляют собой смеси оксидов углерода и водорода с небольшими количествами метана и других углеводородов: 30- 35% (об.) СО₂, 10- 13% (об.) СО, 38- 40% (об.) Н₂₎ 10- 12% (об.) СН₄, 0,5- 1,5% (об.) С_nН_2n. По экономическим соображениям такие газы применяют в ограниченных масштабах. Их используют главным образом как химическое сырье, а также начинают применять в металлургии в качестве газов- восстановителей.

Технология получения указанных газов первоначально была основана на использовании паровоздушного дутья, причем воздух предварительно обогащался кислородом до 40% (об.). Наряду с этим повысить теплоту сгорания газа можно, проводя газификацию при повышенном давлении. Другой способ получения газов со средней теплотой сгорания- газификация твердых топлив с применением парового дутья и предварительно нагретого до 900- 1100°С твердого теплоносителя. В качестве последнего можно использовать золу, остающуюся после сжигания части топлива в выносной топке. Подобный вариант позволяет получать газ, состоящий в основном из СО и Н₂ в соотношении, близком к 1:1, однако этот способ опробован пока лишь на небольших опытно- промышленных установках.

Газы с высокой теплотой сгорания, приближающиеся по этому показателю к природному газу, в настоящее время в промышленных масштабах пока не производят. Однако технология их получения в ряде случаев отработана на достаточно крупных опытно- промышленных установках. Основа повышения теплоты сгорания газа- обогащение его метаном за счет проведения газификации при повышенном давлении, благодаря чему интенсифицируется взаимодействие углерода и его оксидов с водородом, образующимся в слое топлива. Продуктом этих реакций является метан.

Не случайно все самые мощные газогенераторы имели немецкое происхождение. Причина в том, что в Германии нет собственной нефти, но имеются большие запасы угля. В 1920- 1940 гг. в Германии была реализована беспрецедентная по масштабам программа углепереработки с производством моторных топлив, металлургического топлива, газов различного назначения и широкого спектра продуктов углехимии, включая пищевые продукты. Во время второй мировой войны с использованием жидких продуктов пиролиза, прямого и непрямого ожижения угля производилось до 5,5 млн. т в год моторного топлива. Именно немецкие разработки того времени определили на многие десятилетия стратегию развития технологий углепереработки, в том числе газификации топлива.

Если проанализировать конструктивные особенности и принцип действия современных промышленных газогенераторов (к настоящему времени до промышленного масштаба доведено еще более десяти конструкций газогенераторов), можно выделить четыре основополагающих инженерных решения.

1. Создание Фрицем Винклером (концерн BASF) в 1926 г. газогенератора с кипящим слоем. Эта технология послужила основой для современных процессов HTW (Hoch-Temperatur Winkler) и KRW (Kellogg-Rust-Westinghouse) и др.

2. Разработка фирмой "Лурги" в 1932 г. слоевого газогенератора, работающего под давлением 3 МПа. Использование повышенного давления для интенсификации процесса газификации реализовано почти во всех современных промышленных газогенераторах.

3. Разработка Генрихом Копперсом и Фридрихом Тотцеком в 1944-45 гг. пылеугольного газогенератора с жидким шлакоудалением. Первый промышленный аппарат этого типа был построен в 1952 г. в Финляндии. Пылеугольный принцип газификации с жидким шлакоудалением реализован в промышленных аппаратах Destec, Shell, Prenflo, разработанных на основе газогенератора Копперса-Тотцека, в аппарате Texaco и др. Удаление шлака в жидком виде реализовано в слоевом газогенераторе BGL (British Gas- Lurgy), разработанном на основе газогенератора Лурги.

4. Разработка фирмой Texaco в 1950-е годы газификаторов для переработки тяжелых нефтяных остатков. Всего построено более 160 таких установок. В 1970-е годы была разработана модификация аппарата Texaco для газификации водо-угольной суспензии. Принцип подачи угля в аппарат в виде водо-угольной суспензии использован и в газогенераторе Destec.

Были попытки использовать и ряд других технических решений для создания новых газогенераторов: использование внешнего теплоносителя, в том числе тепла ядерного реактора; газификация в расплавах солей, железа, шлака; двух- трехступенчатая газификация; газификация в плазме; каталитическая газификация и др., но они не привели к созданию современного конкурентоспособного технологического процесса.

Роторный рекуператор: наиболее эфективный (КПД до 90%), по сравнению с пластинчатым теплообменником, но более громоздкий, поэтому используется как правило для больших вентиляционных систем, требуется большое помещение венткамеры для размещения установки.

Роторный рекуператор представляет собой короткий цилиндр, начиненный продольно расположенными плотно упакованными слоями гофрированной стали. Такой ротор установлен на автомобиль «Toyota Levin» с двигателем 4A-GZE [18].

Автомобиль «Diamante» фирмы «Mitsubishi» двигатель оборудован механическим рекуператором, имеет два распредвала и электронный впрыск топлива. Закручивание отработавщих газов получается в воздуховоде между воздушным фильтром и блоком дроссельной заслонки. Отработавшие газы по специальному воздуховоду поступают к нагнетателю, после него к охладителю («интеркуллеру») и дальше по воздуховоду во впускной коллектор [19].

...