СПИРТИ, ВОДЕНЬ ТА ІНШІ ПАЛИВА

Найближчими замінниками бензинів та дизельних палив вважають низькомолекулярні спирти: метанол, етанол, більш віддаленим - водень. Ці палива можна використовувати як добавки до нафтових палив, а також як самостійні палива. Як паливо чи добавки можна використовувати ізоспирти, ефіри та деякі інші сполуки, але вони дорожче.

Метанол можна одержувати з вугілля, природного газу, вапняку, побутових відходів (міські звалища), відходів лісового господарства та ін. Етанол одержують з цукрової тростини, буряку, зернових культур, картоплі та інших рослинних продуктів, а також із газу. Щодо відновлення сировинної бази етанол є більш перспективним паливом, він також менш токсичний порівняно з токсичністю метанолу. Етанол має деякі переваги порівняно з бензином, якщо його використовувати як паливо для двигунів з примусовим запалюванням. Двигун на етанолі працює на збіднених сумішах, у відпрацьованих газах малий вміст оксидів азоту. Завдяки великому значенню октанового числа етанол (в чистому вигляді) доцільно використовувати в двигунах з високим ступенем стиснення. Все це дозволяє досягти високої ефективності роботи двигуна. Бензинові двигуни для використання чистого етанолу як палива не придатні, потрібні спеціальні "спиртові" двигуни. В Україні етанол використовується як високооктанова добавка до бензинів.

Недоліком спиртів як палива є менша теплота згоряння порівняно з теплотою згоряння нафтових палив, що вимагає збільшення їх витрат на 25... 30% і відповідно скорочує радіус дії автомобіля. З іншого боку, високі октанові числа дозволяють збільшити ступінь стиснення двигуна. Високе значення теплоти випаровування сприяє кращому наповненню циліндрів. Завдяки наявності кисню в молекулах спиртів останні є хорошими холодоагентами камери згоряння. При роботі на спиртах (порівняно з бензином) вище ефективний ККД двигуна, тому що менший тепловідвід у циліндрах, більш низька температура відпрацьованих газів. Усе це дає можливість збільшити потужність двигуна і компенсувати деякі недоліки.

Пуск двигуна на чистому спирті практично неможливий, його забезпечують на бензині. Спирти мають високу корозійність, яка може збільшуватися внаслідок гігроскопічності спиртів: чим більше вологи, тим вище корозійність. Метанол реагує із свинцем, руйнує бензобак, продукти корозії забивають фільтри, паливопроводи, жиклери карбюратора. Також метанол активно реагує зі сталлю, цинком, магнієм, сплавами на їх основі, руйнує пластмасу, гуму. Етанол реагує із свинцем, магнієм, слабкіше - з алюмінієм.

Спирти впливають на більшість прокладних матеріалів, викликаючи їх набухання.

Двигун на метанолі може працювати на збіднених сумішах при а = 1,05... 1,1 має більшу межу регулювання складу паливо-повітряної суміші порівняно з бензиновим двигуном, у відпрацьованих газах вміст оксидів азоту зменшується у 1,5... 2 рази, вуглеводнів - у 1,3... 1,7 разів, вміст оксидів вуглецю при цьому приблизно однаковий із вмістом його при роботі двигуна на бензині. Щоб зберегти техніко-економічні показники автомобілів при переведенні двигуна, наприклад, на метанол необхідно встановити пристрої для полегшення пуску двигуна, особливо при низьких температурах повітря, тому що випаровування метанолу сильно залежить від зниження температури. При температурах нижче від +8 °С треба проводити передпускове прогрівання горючої суміші (при відсутності спеціального пристрою для полегшення пуску двигуна). Пристрої працюють на бензині або іншому паливі.

У зв'язку з тим, що метанол має високу теплоту випаровування, робота на ньому веде до значного переохолодження двигуна, якщо він не переобладнанний на роботу на спирті. Переохолодження паливо-повітряної суміші викликає, в свою чергу, нерівномірність розподілу палива по циліндрах Для уникнення цього явища слід підігрівати повітря, яке надходить для приготування горючої суміші. Пари метанолу і рідкий метанол набагато шкідливіші для здоров'я людини, ніж пари бензину. Проте ряд країн проводять дослідження і використовують метанол в бензинових двигунах і дизелях. Використання спиртів у дизелях може бути здійснене у вигляді заздалегідь приготовленої суміші спирту з дизельним паливом, а також шляхом переобладнання дизеля для роботи його на чистому спирті При цьому дизель втрачає свої переваги подібно переведенню дизеля на роботу на чистому вуглеводневому газовому паливі.

Паливно-енергетичні ресурси виснажуються. Спирти можуть і повинні використовуватись як добавки до нафтових палив. Етанол як можливе паливо для двигунів відомий дуже давно. Як добавка до бензинів (з метою підвищення октанового числа і економії нафтового палива) він використовувався, наприклад, для виготовлення палива під назвою "газахол" (бензин + спирт); для виготовлення сумішевих палив (бензин + етанол).

Етанол - низькомолекулярний спирт. Низькомолекулярні спирти С1 - С3 мають високі октанові числа, але вони змішуються з водою в любих співвідношеннях. Це є причиною розшарування бензино-спиртових сумішей у випадках наявності води в паливній суміші. Тому при добавках етанолу (чи метанолу) до бензинів вводять стабілізатори, які б забезпечували однорідність сумішевого палива. Як стабілізатори можна використовувати сивушну олію, аліфатичні спирти С3 - С12 розгалуженої і нормальної будови, феноли, алкілацетони, прості та складні ефіри, алкилкарбонати, аліфатичні кислоти та інші сполуки, їх суміші. Сивушна олія і ефір МТБЕ забезпечують стабільність бензино-спиртових сумішей до температур, нижчих за мінус 30 °С. Як свідчать дослідження, якщо в складі палива є високооктанові добавки, що містять азот (наприклад, похідні аніліну), і спирт в кількості більше 2,5...5%, стабільність сумішевого палива погіршується. Чим нижче октанове число вихідного бензину, до якого додається спирт, тим більший антидетонаційний ефект (табл. 50).

Таблиця 50. Вплив етанолу на октанове число бензинів

Вміст спирту в суміші з бензином, % об	Октанове число суміші
№1*	№2*

	-
	71,5	72,5
	-
		-

* Бензини № 1 і № 2, до яких додається спирт, мають різні октанові числа автомобілі.

Можливе використання як добавок до палива третинних і вторинних спиртів (наприклад, вторинного бутилового спирту - ВБС), метилтретинного бутилового ефіру - МТБЕ, їх сумішей тощо. На відміну від метанолу та етанолу ці сполуки практично не розшаровуються у сумішах з бензинами, мають високі октанові числа та теплоту згоряння.

Теоретично як паливо можна застосовувати аміак, азот, ацетон та деякі інші сполуки. Виходячи з вартості сировини і готової продукції, експлуатаційних та екологічних властивостей, вони не набули практичного застосування.

Використання водню як палива вимагає більш тривалого часу для вирішення ряду проблем. Це, передусім, розміщення водню на автомобілі.

Використання водню в газоподібному стані вимагає мати балони великої маси і великого об'єму. Водень у рідинному стані може зберігатися в кріогенних апаратах при температурах мінус 252, 8 °С і нижче. Для забезпечення пробігу автомобіля в 450... 500 км маса бензинового баку складає приблизно 13... 15 кг (для зберігання 50... 55 кг бензину), а для зберігання 13,4 кг стисненого водню маса системи складає 1361 кг, рідкого водню -181 кг. Зберігання водню в безпечних металогідридних акумуляторах (магнієво-нікелевих, залізо-титанових тощо) не дає можливості накопичувати його в достатній кількості, бо ємність акумуляторів мала при загальній великій масі. Наприклад, маса магнієво-нікелевого акумулятора становить близько 300 кг і забезпечує пробіг автомобіля 200 км.

Водень має здатність проникнення через товщу металу і руйнує його.

Дуже велика швидкість згоряння водню викликає великі теплові і механічні навантаження в деталях двигуна. Мала енергія, необхідна для займання, може викликати некероване самозаймання палива. Водень спроможний проникати через товщу металу, з підвищенням температури і тиску дифузія водню в метали підвищується. Рідкий водень може викликати розклад деяких металів. Водневоповітряна суміш має велику межу займання (4... 75% об. ) і вибухонебезпечності (18,3... 74% об.).

Водень - самий легкий з усіх газів, він майже в 134,5 рази легший повітря. Водень дуже відрізняється від традиційних палив за фізико-хімічними показниками якості (табл. 51).

Таблиця 51. Показники якості водню і бензину

Показники	Бензин	Водень
Густина при нормальних умовах, кг/м³	720... 790	0,09
Агрегатний стан	Рідина	Газ
Температура кипіння, °С	30... 205	-252,8
Температура застигання, °С	-60... -80	-259,1
Теплота згоряння нижча, МДж/кг	- 42,70
Умови зберігання	Звичайні	-253 °С і
		нижче

Він має найвищу теплоту згоряння з усіх традиційних і альтернативних палив, по масовій енергоємності водень перевищує нафтові палива у 2,5... 3 рази, спирти -у 5.. 6 разів. Водень запалюється в суміші з повітрям в широкому діапазоні, включно до коефіцієнта надлишку повітря 10, тому водень забезпечує сталу роботу двигуна на всіх швидкісних режимах при складі суміші від а = 0,2 до а =5. Згоряння воднево-повітряних сумішей відбувається практично при постійному об'ємі (в стехіометричній області); високі швидкості згоряння різко підвищують тиск. Це іноді провокує зворотні проскоки полум'я у впускний трубопровід, передчасне займання паливних сумішей. Вдосконалення паливоподаючої системи може ліквідувати ці недоліки. Для зменшення температури робочого циклу необхідне вдосконалення конструкції самого водневого двигуна.

Відпрацьовані гази водневих двигунів мають значно меншу кількість токсичних сполук порівняно з токсичністю відпрацьованих газів бензинових двигунів. Одним з недоліків водневого палива є підвищений вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах. Іншим недоліком водневих двигунів є можливість утворення пероксиду водню Н₂О₂ при згорянні водню. Пероксид водню у відпрацьованих газах додатково забруднює оточуюче середовище. Для його розкладу до води та кисню на автомобілях необхідно монтувати додаткові перетворювачі (термічні чи хімічні).

З метою виготовлення палив як сировина може використовуватись синтез-газ (суміш оксиду вуглецю та водню), що утворюється при деяких нафтохімічних процесах. Бензини синтезу з синтезгазу потребують подальшої переробки з метою підвищення октанового числа; дизельна фракція може використовуватись як високоцетановий компонент палива (дизельна фракція має високу температуру застигання, на що необхідно звертати увагу при виготовлені товарного палива).

Гази нафтопереробних та нафтохімічних заводів містять насичені та ненасичені вуглеводні. Методами синтезів таких газів одержують рідкі палива, зокрема, високооктанові компоненти: алкілати, ароматичні вуглеводні, метилтретичноалкілові ефіри (метил-третбутиловий з октановим числом 105/М та 118/Д і метил-трет-аміловий з октановим числом 99/М та 112/Д); бензин з октановим числом 81/М та 96/Д, полімер-бензин з октановим числом 82...85/М та 95..98/Д.

Використання високооктанових бензинів вимагає збільшення виготовлення високооктанових компонентів, а виснаження природних копалин вимагає все більшого застосування різних добавок до нафтових палив.

До альтернативних палив можна віднести і електрику. Електромобілі, що використовують метало-кислотні, метало-лужні акумулятори, незважаючи на позитивне вирішення екологічної проблеми порівняно з бензиновими та дизельними двигунами, не знайдуть широкого використання внаслідок недостатньої енергії (енергоємності). Виготовлення акумуляторів потребує великих паливно-енергетичних витрат. У процесі видобутку металів, виготовлення і зарядки акумуляторів (від одержання сировини для виготовлення акумуляторів до готового стану) має місце забруднення навколишнього середовища включно до вирішення питання повної і екологічно чистої утилізації відпрацьованих акумуляторів.

Перспективне використання біогазу, який можна одержувати з біомаси, наприклад, відходів сільськогосподарського виробництва. Теплотворна здатність біогазу становить 20...25 МДж/кг. Зношування двигунів, що працюють на біогазі, менше порівняно із зношуванням двигунів, що працюють на бензині.

Знаходить використання біопаливо дизелів, яке отримують із ріпакової олії і одноатомних спиртів, зокрема, етилового.

При розробці і використанні альтернативних палив слід враховувати економічні, екологічні питання, а також проводити хімотологічне обґрунтування їх ефективного застосування.

Контрольні запитання

1. У чому полягає основна причина розробки альтернативних палив та які їх сировинні джерела?

2. Які основні експлуатаційно-технічні властивості газових вуглеводневих палив?

3. Які експлуатаційні властивості спиртів, ефірів та інших альтернативних палив?

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ГАЗОВІ ВУГЛЕВОДНЕВІ ПАЛИВА	\|

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.