4. Альтернативні палива

4.1. Загальні відомості

Нафта і газ - головні енергоносії сучасної цивілізації, але вит­рати їх невідновлювальні. Є можливість використовувати віднов-лювальні природні, екологічно чисті енергетичні джерела - сонячну енергію, силу вітру, води, а також нетрадиційні джерела енергії. Вода (при розкладі на водень і кісень) може використовуватись як еколо­гічно чисте паливо. До відновлювальних екологічно чистих палив відносяться рослинні олії та тваринні жири, які використовують як добавку до нафтових палив або отримують палива їх переробкою. Наприклад, синтезом ріпакової олії з етанолом одержують паливо для дизелів (це біопаливо). Є дані щодо використання вугільного і алюмінієвого пилу, азоту, ацетону, аміаку та деяких інших речовин як палива для двигунів внутрішнього згоряння, але це не значить, що вони можуть набути широкого застосування.

Як альтернативні палива можуть використовуватись синтетичні палива, що одержують із твердого палива (вугілля, сланців тощо), методами синтезу з газів і деяких вузьких фракцій та окремих речо­вин. Переробка твердого та важкого палива базується на забезпе­ченні продуктів необхідною кількістю водню, В бензині співвідно­шення водню до вуглецю (100Н:С) становить 17... 18, тоді яку вугіллі - 5,4...9, в нафті - в середньому 14...15, тобто навіть у найбільш багатій на водень сировині - нафті - водню не вистачає для повно­го перетворення ЇЇ на бензин.

З нафтових залишків, сланців, вугілля палива можна отримати різними методами, наприклад, гідрогенізацією. Процес гідрогенізації відбувається при високій температурі (380...550 °С), великому тиску водню і в присутності спеціальних каталізаторів, стійких до сірки. Гідрогенізацією різних смол та нафтових залишків можна отримати 70...80% моторного палива і 18...23% газоподібних вуглеводнів;

Використання альтернативних палив часто веде до необхідності додаткового захисту техніки від корозії та зношування, зокрема, водневого, корозійно-механічного при використанні водню, спиртів, ефірів як палива або їх сумішей з нафтовими паливами. Для запобі­гання корозії та зношування двигунів у паливо вводять спеціальні присадки.

4.2. Газові вуглеводневі палива

Перші двигуни на газовому паливі працювали ще в середині XIX сторіччя. Використання газового палива дає можливість значно скоротити витрати рідкого нафтового палива, зменшити забруднен­ня навколишнього середовища. У відпрацьованих газах автомобілів, наприклад, що працюють на зрідженому газі, приблизно у 5 разів менше оксиду вуглецю і в 3...3.5 рази менше незгорілих вуглеводнів порівняно із вмістом цих компонентів у відпрацьованих газах авто­мобілів, що працюють на бензині. При роботі на газовому паливі зменшується зношування ЦПГ внаслідок відсутності змиву мастиль­ної плівки рідким паливом, а також збільшується строк роботи оли­ви до заміни, бо відсутнє розбавлення картерної оливи паливом, що не згоріло. При роботі на газовому паливі знижується рівень шуму приблизно на 8...9 дБ.

Переобладнання бензинових двигунів на газове паливо не дає відчутних економічних переваг порівняно з роботою двигуна на бен­зині. Енергетичні показники двигуна при переведенні з бензину на газове паливо без спеціальних доробок погіршуються: знижується потужність з 6...8 до 18...19%, збільшуються витрати палива до 10...12%, пуск двигуна утруднений, часто - неможливий за рахунок збіднення суміші. Газові палива доцільно використовувати як добав­ки до низькооктанових бензинів, а як самостійне паливо - у спеці­альних газових двигунах, які забезпечують стале горіння на збіднілих сумішах, що дозволяє знизити витрати палива, збільшити потужність двигуна до 15% і більше порівняно з бензиновими двигунами. В ди­зелях газове вуглеводневе паливо може використовуватись як са­мостійне (у цьому випадку двигун втрачає свої переваги як дизель), так і в суміші з дизельним паливом.

Вуглеводневі газові палива складаються з вуглеводнів та інших горючих (оксиду вуглецю, водню) та негорючих компонентів (азоту, вуглекислого газу С0₂, кисню, парів води). Вуглеводневі палива мають значний запас теплової енергії порівняно із середньою тепло­тою тою згоряння різних палив (у кДж/кг): деревина, торф -19500...19600: вугілля - 33300; бензин, гас, мазут - 44000-38400; гази (у кДж/м³): природні: 30000-36000; попутні та нафтопереробних заводів -36000-44000. Теплотехнічні показники газових палив наведені в табл. 48.

Об'ємні теплотехнічні характеристики водню менші порівняно з бензином внаслідок дуже малої густини.

Важливою характеристикою газоподібних палив є температура горіння, яку розподіляють на калориметричну (температура, яку бу­дуть мати продукти згоряння за умов витрат теплоти, що виділяєть­ся, тільки на їх нагрівання), теоретичну (яка відповідає миттєвому і повному згорянню газу без витрат в оточуюче середовище) та дійсну (яка відповідає витратам теплоти на нагрівання продуктів згоряння, дисоціацію газу та розсіювання в оточуюче середовище). Газове вуглеводневе паливо має високі октанові числа, що робить доціль­ним його використання у двигунах із ступенем стиснення 12... 14.

* В МДж/м³.

Однорідність горючої суміші при використанні газу забезпечує повноту згоряння більшу, ніж при використанні рідкого палива. Тому витрати газу менші, ніж бензину. Оскільки паливо у двигун подаєть­ся в газоподібному стані і можливе використання збіднілих сумішей, зменшується вміст оксидів вуглецю у відпрацьованих газах. Зни­ження температури робочого циклу дає змогу зменшити кількість оксидів азоту. Вміст оксидів азоту у відпрацьованих газах при перехо­ді з бензину на зріджений газ зменшується не тільки за рахунок більш низьких температур згоряння, але й за рахунок більшої гомогенності і меншої швидкості згоряння газоповітряної суміші (див. табл. 48). Вміст оксидів азоту зменшується в 1,2...З рази. Саме тому знижується кількість оксидів азоту у відпрацьованих газах при добавках спиртів до бензинів або використанні спиртів як палива у чистому вигляді.

Принципової конструкційної відзнаки газового двигуна від бен­зинового немає. Зміна і ускладнення системи живлення і підвищен­ня ступеня стиснення - основна різниця між газовим і бензиновим двигуном.

Маючи переваги перед рідким паливом, газове вуглеводневе паливо одночасно має ряд недоліків. Це, передусім, більш складні і дорогі газонаповнювальні станції порівняно з автозаправними стан­ціями рідким паливом, більш трудомістке технічне обслуговування газобалонних автомобілів. Втрати газових палив перевищують втра­ти рідких палив, які мають місце при їх видобуванні, транспорту­ванні і заправках, а також можуть бути із системи живлення внаслі­док її несправності або недосконалості.

Г азове паливо - невідновлювальне природне багатство і стави­тись до нього треба бережно. Вуглеводневе газове паливо має підвищену небезпеку під час експлуатації, бо до складу його вхо­дять низькокиплячі вуглеводні. Воно легко проникає через нещіль­ності з'єднань, утворює з повітрям вибухонебезпечну суміш у широ­кому діапазоні концентрацій, має наркотичну та отруйну властивість. Внаслідок витікання газу можуть бути отруєння водіїв, пожежі, ви­бухи. Густина газових вуглеводневих палив, за винятком метану, більша від густини повітря (табл. 49).

Пари вуглеводневих палив можуть накопичуватись у низьких і непровітрювальних місцях і приміщеннях, що може привести до аварійної ситуації. Вибухонебезпечна концентрація газів з повітрям становить 1,5.-8,5% для бутану і 5,3...15% для метану при темпера­турі 20 °С. Гранично допустима концентрація газів у повітрі стано­вить 100...300 мг/м³. Людина, що знаходиться в атмосфері з неве­ликим вмістом парів газу, може відчувати кисневе голодування, а при значних концентраціях - загинути від ядухи.

Основними компонентами вуглеводневих газових палив є ме­тан, етан, пропан, бутани та деякі інші, показники якості яких наве­дені у табл. 49.

Сировиною для одержання газових палив є природні та попутні гази, що виділяються при видобуванні нафти, гази газоконденсат­них родовищ, а також гази нафтопереробних та нафтохімічних заво­дів. Вуглеводні, що мають критичну температуру, вищу від звичай­них температур використання цього палива, легко переходять у рідкий стан під незначним тиском. Критична температура - це тем­пература, вище значення якої газ перевести у рідкий стан неможли­во ні під яким тиском. Такі вуглеводні, як пропан та бутани, для пере­ведення у рідкий стан потребують тиск 0,85...0,21 МПа при 20 °С.

Вуглеводні, переведення яких у рідкий стан пов'язане з велики­ми значеннями тисків та низькими температурами, використовують частіше у стиснутому стані. Це - метан та етан. Для переведення метану у рідкий стан необхідна температура, нижча за мінус 161 °С, а при температурах вище від мінус 82 °С його не можна перевести у рідкий стан при стисненні до будь-якого високого тиску.

Газове вуглеводневе паливо використовують у зрідженому та стиснутому стані.

Зріджений газ містить пропан та бутани (основні компоненти), а також більш легкі та важкі вуглеводні (у незначній кількості). Опти­мальний тиск у балонах забезпечується, в основному, пропаном. Тиск насичених парів значно впливає на роботу газового устатку­вання. Досвід експлуатації засвідчує, що у більшості конструкцій газової апаратури з тиском у балоні менше за 0,5 МПа має місце ускладнення у подачі палива, а при атмосферному тиску у балоні подача палива припиняється. Пуск двигуна забезпечується газовою фазою палива. Тривала робота двигуна з відбором газової фази призводить до переохолодження палива внаслідок витрат його на випаровування і зниження вмісту пропанової фракції у газовій суміші. Пропанова фракція має нижчі температури випаровування порівня­но із температурами кипіння бутанової фракції, тому концентрація пропанів зменшується у суміші, тиск насичених парів у газовому ба­лоні падає. Це веде до обважніння палива, погіршення випарову­вання ускладнення при пусках двигуна, перевитрат палива, підви­щеного забруднення довкілля, а пізніше-до припинення надходжен­ня палива у циліндри двигуна.

За густиною рідкої фази можна визначити концентрацію енер­гії в одиниці об'єму зріджених газів, які є дуже легкими рідинами, їх густина становить приблизно 0,50...0,55 кг/дм³. Особливістю зріджених газів є більш високий коефіцієнт об'ємного розширення, ніж у рідких нафтопродуктів. Так, густина пропану у рідкому стані при мінус 10 °С становить 0,54 кг/дм³, а при температурі +30 °С змен­шується до 0,48 кг/дм³. Питомий об'єм при цьому збільшується на 11%. Цю властивість треба враховувати при заповненні балонів га­зом, залишаючи близько 10% простору на "парову подушку". При повному заповненні балону навіть незначне підвищення темпера­тури призведе до підвищення тиску у балоні. Прирощування тиску у балоні становить приблизно 0,7 МПа на один градус підвищення температури зрідженого газу. Тому забороняється застосовувати і зберігати балони із зрідженим газом у закритих та опалювальних приміщеннях, де температура підвищується до 25 °С і вище.

Зріджені гази мають високу детонаційну стійкість, їх октанове число за моторним методом становить 95... 105. Використовуючи зріджений газ, слід періодично зливати з балону конденсат, який накопичується в міру експлуатації газів. Конденсати зменшують ко­рисний об'єм газового палива, що заправляється у балон, і, отже, зменшується запас ходу автомобіля чи іншої техніки. Зливну части­ну палива з балонів можна використовувати як добавку до бензину у зимовий період в кількості 10% і більше при температурах повітря від мінус 10 до мінус 25 °С і нижче.

При використанні пропан-бутанової суміші треба суворо дотри­муватись вимог охорони праці та техніки безпеки, стежити за герме­тичністю системи газопостачання, зберігання і транспортування газу. Зріджені гази при попаданні на тіло людини викликають обморожу­вання, яке нагадує опік. У приміщеннях для зберігання зріджених газів не допускається робота з відкритим полум'ям; штучне освіт­лення має бути у вибухозахисному виконанні; ємкості, комунікації, насосні агрегати мають бути герметичні і заземлені; всі роботи по­винні проводитись інструментами, які не дають іскри. У випадку за­горяння використовують пінні та вуглекислотні вогнегасники, воду у вигляді компактних і тонкорозпилених струменів, пісок, водяну пару, азбестове полотно.

Головним компонентом стиснутих газів є метан. Теплота згорян­ня (калорійність) природного газу вища порівняно з теплотою зго­ряння бензину та дизельного палива. Стиснутий газ знаходиться в балонах під високим тиском (вище 19,6 МПа). Температура займання стиснутого газу в камері згоряння становить 635...647 °С, що втричі вище від температури запалювання бензину. Це є причиною уск­ладненого пуску двигуна, який працює на стиснутому газі, особливо при низьких температурах повітря.

Перед використанням стиснутий газ проходить зневоднення. Во­дяна пара здатна утворювати з газовими вуглеводнями комплексні сполуки {так звані гідрати: СН₄ • 6Н₂0, СН₄ • 7Н₂0, С_гН₆ • 7Н₂0, С₃Н₈ ■ 18 Н_гО тощо), які за певних умов є білими кристалами, що зовні схожі на ущільнений сніг або лід. При транспортуванні газу трубопро­водами гідрати здатні забивати трубопроводи, ускладнити роботу компресорів. Те саме відбувається в разі використання стиснутого газу (метану) як палива для двигуна при вмісті в його складі води.

До складу стиснутого газу, крім метану, входять етан, пропан та деякі інші речовини, октанові числа яких мають різні значення. Ок­танове число вцілому стиснутого газу становить 94...105 за мотор­ним методом. При роботі на стиснутому газі практично немає нага-роутворення, на ЗО...40% збільшується моторесурс двигуна, до 40% - строк служби свічок запалювання, вдвічі - строк служби моторної оливи, значно зменшується токсичність відпрацьованих газів. Але погіршується економічна ефективність, а саме: збільшуються на 11...12% вартість автомобіля і амортизаційні відрахування, змен­шується вантажопідйомність внаслідок великої ваги балонів і запас ходу автомобіля, зростає трудомісткість обслуговування, погіршу­ються тягово-динамічні і експлуатаційні характеристики автомобі­ля. Зниження тягових характерристик погіршує, а іноді і виключає можливість роботи автомобіля з причепом. Високі антидетонаційні властивості стиснутого газу дають можливість використовувати його в двигунах із ступенем стиснення до 10...12.

Стиснутий газ належить до групи речовин, що здатні утворювати з повітрям вибухонебезпечні суміші. Межі небезпечних концентрацій спалаху (за метаном) в суміші з повітрям: нижня - 5% об., верхня -15% об. Гранично допустима концентрація вуглеводнів стиснутого газу в повітрі робочої зони становить не більше 300 мг/м³ в перера­хунку на вуглець. Стиснуті гази швидко випаровуються, можуть мати місце великі втрати газу. Досвід роботи автотранспорту на газі пока­зав, що двигуни працюють нормально, не димлять, практично не­має нагарів, значно зменшується зношування двигуна порівняно із зношуванням двигуна при роботі на бензині.

При використанні стиснутих газів особливу увагу слід приділяти корозійності і вологості, особливо останньому показнику, тому що підвищена вологість значно ускладнює експлуатацію і провокує ко­розійні процеси. Не менш актуальним може бути витік газових вуг­леводневих палив внаслідок поганої герметичності всієї паливної апаратури, що може призвести до небезпечних наслідків: отруєння людей, пожежі, вибуху.