Газовое топливо

К газовым топливам относятся газообразные углеводороды, которые добываются из недр земли при разработке газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений. Газообразные углеводороды, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений, принято называть собственно природным газом, а природный газ, добываемый из нефтяных месторождений, часто называют попутным газом.

Основным компонентом природных газов является метан (СН₄), содержание которого в зависимости от источника колеблется в широких пределах - от 50 до 90% об. и более в газовых и газоконденсатных месторождениях и от 30 до 80% об. в нефтяных месторождениях.

В природных газах содержатся также другие газообразные углеводороды - этан (С2Н₆), пропан (С₃Н₆), бутан (С₄Ню нормальный и изостроения). Кроме перечисленных углеводородов в состав природных газов некоторых месторождений входят азот (N₂), диоксид углерода (СО₂), сероводород (H₂S) и некоторые другие. Содержание этих компонентов колеблется от десятых долей процента до нескольких и даже десятков процентов. В частности, в природном газе Астраханского газоконденсатного месторождения содержание сероводорода достигает 24-25 % об. и диоксида углерода 14-15 % об.

Добытый из недр земли природный газ подвергают очистке от примесей и осушке с последующим разделе­нием на компоненты, которые направляются для дальнейшего использования или переработки.

Полученный таким образом метан с различным содержанием других газообразных углеводородов и примесей (разной степени очистки в зависимости от направления дальнейшего использования) применяется в основном как топливо для получения электро- и тепловой энергии, в коммунально-бытовом секторе и в меньшей степени как моторное топливо в виде сжатого (компримирован-ного) природного газа или сжиженного природного газа - КПГ и СПГ соответственно.

При использовании природного газа в карбюраторных двигателях 1 м~ газа эквивалентен 7 л бензина для легковых автомобилей и 1,2 л бензина для грузовых.

Этан направляется на переработку с получением раз-дичных химических продуктов, в том числе полимер­ных материалов.

Большая часть пропана и бутана также используется как сырье для химической переработки и.меньшая часть в виде сжиженного газа как моторное топливо и топливо для бытовых нужд. Учитывая то, что содержание пропана и бутана в попутных газах нефтяных месторождений значительно выше по сравнению с газами газовых и газоконденсатных месторождений, и то, что основную массу жидких пропана и бутана получают из попутного газа нефтяных месторождений, общепринятым для этих газов названием является сжиженный нефтяной газ (СНГ).

Сравнение стоимости различных видов моторного топлива в некоторых зарубежных странах приведено в табл. 6.

Таблица 6 - Стоимость различных видов автомобильного топлива [6] (данные 1999 г.)

Топливные системы газобаллонных автомобилей практически полностью унифицированы и в зависимости от используемого газового топлива (КПГ, СНГ или СПГ) отличаются количеством баллонов и некоторыми регулировочными параметрами работы системы подачи газа в камеру сгорания.

Карбюраторные и вообще бензиновые двигатели могут быть переведены на газовое топливо путем установки несложной топливной аппаратуры, включающей устройства для редуцирования давления газа и регулирования его расхода в соответствии с режимом работы двигателя.

Особые трудности вызывает применение газового топлива на дизельных двигателях, что связано с плохой самовоспламеняемостью газового топлива (для метана около 537 °С, пропана - 510 °С и бутана - 480 °С). Для организации работы дизельного двигателя на газовом топливе известны следующие способы:

- добавление в газовое топливо активирующих до­бавок, веществ с низкой температурой самовос­пламенения типа нитратов или перекисей, что возможно только для СНГ;

- использование искрового зажигания, что требует создания напряжения на электродах до 25 кВ и более; этот метод используется на стационарных ди­зельных установках;

- применение впрыска запальной дозы дизельного топлива, работа по так называемому газодизельному режиму - газовое топливо подается в нача­ле, а в конце такта сжатия впрыскивается запальная доза дизельного топлива; этот путь не связан с изменением конструкции двигателя и требует минимального переоборудования; недостаток заключается в расходе, хотя и значительно уменьшенного количества дизельного топлива (на автомобиле КамАЗ-55118 расход дизельного топлива на 100 км составляет 28 л, а при газодизельном режиме - 7 л дизельного топлива и 30 м³ сжатого газа).

Естественно, что для хранения газового топлива на обоих типах автомобилей требуется установка спе­циальных емкостей-баллонов.

Применение газового топлива позволяет не только сократить расход нефти на производство моторных топлив, но и существенно снизить содержание токсичных веществ в отработавших газах автомобилей.

Сравнение традиционного топлива - бензина с природным газом - метаном и нефтяными газами - пропаном и бутаном по содержанию токсичных веществ в отработавших газах приведено в табл. 7, в качестве критерия используется так называемая интегральная экологическая опасность - ИЗО.

Таблица 7 - Интегральная экологическая опасность (ИЭО) моторных топлив [6]

Приведенные результаты показывают, что ИЭО для бензина почти в 1000 раз выше по сравнению с газовым топливом. При этом основной вклад в показатель ИЗО вносит содержание мощного канцерогена бенз -- пирена, но даже без этого фактора ИЭО для бензина в 1,5-2 раза выше ИЭО газовых топлив.

Перевод любого двигателя на газовое топливо обеспечит выполнение требований ЕВРО-1 по содержанию токсичных веществ в отработавших газах. Доказана принципиальная возможность создания автомобильного транспорта, работающего на газовом топливе и соответствующего требованиям самой жесткой Калифорнийской программы для двигателей с низкой (LEV-low emission vechicle), ультранизкой (ULEV) и нулевой (ZEV) эмиссией токсичных веществ с отработавшими газами (таблица 8) [7].

Таблица 8 - Допустимые количества выбросов токсичных веществ, г/милю

(легковые/грузовые автомобили)

Стандарт	Неметановые углеводороды	Оксид углерода	Оксиды азота
США 1989/90 гг.	0,401/0,801	3,364/ 9,932	0,993 / 1,762
Переходный LEV	0,125/0,160	3,4/4,4	0,4/0,7
LEV	0,075/0,100	3,4/4,4	0,2/0,4
ULEV	0,04 / 0,05	3,4/4,4	0,2/0,4
ZEV	Отсутствие

В 2003 г. в штате Калифорния эксплуатировалось 75 % автомобилей, соответствующих требованиям LEV, и 15 % - ULEV

Более подробно содержание различных токсичных веществ в отработавших газах автомобилей при работе ча традиционных и газовых топливах в зависимости от режима работы двигателей, температуры окружающей среды и т.п. приведено в приложении.

В нашей стране первый практический опыт использования газа на автотранспорте был связан с выпуском в 1939 г. газобаллонных автомобилей (ГБА) ЗИС-30 и ГАЗ-44, а в 50-х гг. - ЗИС-156 и ГАЗ-51Б, которые работали на сжатом природном газе. Несколько тысяч этих автомобилей работали на Украине и в Поволжье, районах основной добычи природного газа в то время. В 1954 г. было начато производство автомобилей ЗИС-156А и ГАЗ-51Ж, работавших на сжиженном пропан-бутановом газе.

Однако в 60-е гг. в связи с быстрым развитием нефтеперерабатывающей промышленности и производством больших количеств дешевого нефтяного моторного топлива применение газового топлива на автотранспорте было практически прекращено.

В 80-е гг. в связи с необходимостью экономии нефтяных ресурсов и особенно в связи с резким ухудшением экологической обстановки, особенно в крупных городах, объективной необходимостью стала задача широкого использования газового моторного топлива и в первую очередь сжатого природного газа, что связано с развитой системой транспорта природного газа по трубопроводам, растущими объемами добычи природного газа, а также с тем, что сжиженные нефтяные газы с большей эффективностью могут быть переработаны в ценные химические продукты.