1   2   3   4
Ім'я файлу: Метод до лаб. біщдизель.doc
Розширення: doc
Розмір: 393кб.
Дата: 24.04.2020
Пов'язані файли:
ТИТУЛКИ.docx


Міністерство освіти і науки молоді та спорту України

Національний університет „Львівська політехніка”


Одержання біопалива з рослинної сировини
Методичні вказівки

до лабораторних робіт з дисципліни

„Альтернативні моторні палива та синтетичні оливи”

для спеціалістів і магістрів спеціальності 7.05130105, 8.05130105

„Хімічна технологія палива і вуглецевих матеріалів”

Затверджено


на засіданні кафедри хімічної технології

переробки нафти та газу

протокол № від 2011 р.


Львів 2011

Одержання біопалива з рослинної сировини: Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни „Альтернативні моторні палива та синтетичні оливи” для спеціалістів і магістрів спеціальності 7.05130105, 8.05130105 „Хімічна технологія палива і вуглецевих матеріалів” / Укл.: Т.І. Червінський – Львів: Видавництво Національного університету „Львівська політехніка”, 2011.– 21с.
Укладачі: Червінський Т.І., канд. хім. наук., асист.

Відповідальний за випуск: Братичак М.М., д-р хім. наук, проф.

Рецензенти: Топільницький П.І., канд. техн. наук, доц.

Чайківський Т.В., канд. техн. наук, доц.

Вступ

Процес розвитку конструктивних рішень двигунів внутрішнього згорання повинен бути підпорядкований сучасним вимогам норм охорони довкілля. Ці вимоги стосуються не тільки самих двигунів, а й застосовуваних палив. У цьому випадку маємо справу з більш сучасними технологіями переробки нафти, новими додатками до палива й альтернативними паливами. В остаточному підсумку необхідно прагнути до того, щоб новітні технології відповідали нормам з охорони довкілля від токсичних продуктів згорання, зберігаючи водночас економічні показники двигуна, його ресурс й швидкісні характеристики. Транспортні засоби, що мають дизельні двигуни, є не тільки джерелом емісії шкідливих речовин, що загрожує довкіллю, але і джерелом вібрації та шуму.

У Європі розвиток двигунів внутрішнього згорання в минулому та у теперішній час визначають стандарти: euro i, euro iI, euro iII та euro iV, котрі регламентують допустимі значення емісії токсичних компонентів відпрацьованих газів. Саме ці проблеми, що стосуються забруднення довкілля викидами двигунів внутрішнього згорання, є повсякдень актуальними, над якими постійно працюють науковці багатьох університетів, дослідних інститутів, державних підприємств тощо.
Характеристика альтернативних палив

До альтернативних палив належать палива, що не являються продуктами переробки нафти. В цілому, альтернативними паливами є усі палива, що можуть бути використані для заправки засобів транспорту, за винятком бензину і дизельного палива. Іноді реформульовані палива (бензин і дизельне паливо) вважаються альтернативними паливами. Слід уточнити, що електрична енергія не є паливом, яке можна застосовувати в приводі автомобілів, вона є лише джерелом живлення.

Будь-яке з альтернативних палив має свої переваги і недоліки, серед котрих найважливішими є: виробничі витрати, доступність для споживача, вплив на навколишнє середовище, необхідність пристосування двигуна до процесу живлення новими паливами, безпека використання та схвалення споживачем. Наприклад, етанол дуже широко застосовується як суміш під назвою “gasohol”, що складається з 90 % об. бензину і 10 % об. етанолу. У свою чергу водень вважається найбільш “чистим паливом” і дотепер не є достатньо поширеним, оскільки відсутні технічні рішення щодо можливостей його складування. Електричний привід вважається найчистішим джерелом енергії, застосовуваним у транспортних засобах, проте ціни електромобілів набагато вищі, ніж ціни автомобілів, що заправляються нафтовими паливами. Застосування реформульованих палив у значній мірі знижує рівень емісії токсичних компонентів відпрацьованих газів і дає співмірні ефекти в охороні довкілля порівняно із стандартним бензином.

Власна сировина для виробництва альтернативних палив робить державу енергетично незалежною від імпортної нафти і пов'язаних з цим політичних проблем (відсутність дипломатичних відносин, воєнний стан тощо). Метан можна одержати з природного газу або органічних матеріалів, таких, як вугілля, сільськогосподарські відходи, сміття тощо. Етанол – із сільськогосподарських продуктів: картоплі, цукрового буряку, цукрового очерету. Рослинні палива та їх складні естери можна одержати із насіння сої, ріпаку, соняшнику, льону, плодів кокосової пальми. Електричну енергію виробляють на гідроелектростанціях, вітрових та атомних електростанціях. Водень можна одержати з води в результаті її електролізу, а також з інших вуглеводневих палив і біомаси.

Альтернативні палива знижують емісію шкідливих речовин, що викидаються у довкілля з продуктами згорання. Слід зазначити, що молекули метану (із природного газу), пропан-бутану, метанолу і етанолу за своєю структурою більш прості в порівнянні з іншими паливами. Простіша структура, а також незначні розміри молекул сприяють більш “чистому згоранню” палива. Крім того, завдяки зниженню вмісту вуглецю стосовно водню у процесі згорання палива, у меншій кількості, в порівнянні з бензином, утвориться чадний газ. З цієї причини метан, пропан, бутан, метанол, етанол і водень під час їхнього згорання не так, як бензин і дизельне паливо забруднюють повітря.

Метанол і водень, у порівнянні з іншими альтернативними паливами, занадто дорогі для того, щоб їх застосовувати для живлення двигунів внутрішнього згорання. Проте внаслідок введення відповідних законів і застосування певних економічних стимулів (державні дотації, звільнення від оподаткування тощо) ціни водню й метанолу можна значно знизити. Останнім часом вартість електромобілів не є конкурентною стосовно цін автомобілів, що заправляються іншим паливом. Транспортні засоби з електричним приводом будуть більш конкурентноспроможними у випадку збільшення ефективності й енергоємності акумуляторів. Застосування альтернативних палив повинно в глобальному розрахунку, завдяки зниженню емісії токсичних компонентів відпрацьованих газів, забезпечити нижчу вартість експлуатації автомобілів.
Природний газ

Стиснутий природний паливний газ (NG), а також зріджений природний газ (LNG) є привабливим альтернативним паливом для двигунів внутрішнього згорання. У теперішній час природним газом заправляють приблизно 800 тис. автомашин в усьому світі, при цьому 40 тис. – у США. Природний газ, що піддається чистому згоранню, є поширеним і більш дешевим, ніж нафтові палива. Його ресурси в усьому світі дуже великі. Двигуни, що споживають природний газ, характеризуються дуже низькою емісією реактивних вуглеводнів, CO і твердих часток. Основним компонентом природного газу є метан (8595%). До інших компонентів слід віднести складні вуглеводні, азот і воду. Об'ємна частка і масова концентрація GN подані в табл. 1. Через те, що молекули метану окиснюються без проміжних продуктів, ефективне згорання і низький рівень емісії токсичних компонентів можливі у випадку згорання при достатній кількості повітря. В ідеальних умовах згорання відпрацьовані гази містять тільки три компоненти: водяну пару, CO2 і азот.

У реальному процесі згорання відпрацьовані гази містять неспалене або частково спалене паливо, окис вуглецю (CO), окис сірки, окис азоту (NO) та двоокис азоту (NO2), що групуються як NOx, а також тверді частки. Головною складовою, забруднюючою довкілля в процесі згорання GN, є неспалений метан, причиною виникнення якого є неправильні пропорції складових паливо-повітряної суміші, а також неповне перемішування. Оскільки відпрацьовані метанові гази менш реактивні, ніж гази, що містять важкі вуглеводні, то вони в меншій мірі забруднюють повітря.

Проблемою як у процесі згорання метану, так і у випадку двигунів, що працюють на бензині або дизельному паливі, є емісія NOx. Надлишок повітря, що утворюється при згоранні збідненої суміші, приводить до зниження емісії NОx, але, мабуть, не до такого рівня, який передбачається нормами в майбутньому. У двигунах, що живляться GN для контролю за вмістом NOx застосовується триступінчастий каталізатор разом із зворотнім зв'язком і рециркуляцією продуктів згорання. Емісія NOx виникає в результаті взаємодії газу, що утворився в процесі згорання палива з азотом, який міститься в засмоктуваному повітрі. Слід відмітити, що чим вища температура згорання, тим вищий рівень емісії NOx. що є безпосередньою причиною забруднення повітря.

Адаптовані двигуни, що живляться GN, характеризуються більш високим коефіцієнтом корисної дії (к.к.д.), ніж двигуни, що працюють на бензині. Октанове число метану, що є основним компонентом GN, визначене дослідним методом, становить 130. Тому GN має чудові антидетонаційні властивості, завдяки чому можна значно збільшити ступінь стискування двигуна, а це, у свою чергу, приводить до зростання його ефективності.

Таблиця 1

Компоненти природного газу

Компонент

Об’ємна частка [%]

Масова концентрація [%]

Метан

92,29

84,37

Етан

3,60

6,23

Пропан

0,80

2.06

Бутан

0,29

0,99

Пентан

0,13

0,53

Гексан

0,08

0,39

CO2

1,00

2,52

Водень

1,80

2,89

Вода

0,01

0,01

Всього

100,00

100,00

Ідея пристосування дизельних двигунів до живлення природним газом не є широко розповсюдженою й ефективною, як у випадку бензинових двигунів. При такій системі живлення GN загорається в дизельному двигуні внаслідок перемішування його із засмоктуваним повітрям. Вприск і згорання дизельного палива в циліндрі викликає займання GN. В основному двигуни, що живляться двома паливами, при малій вихідній потужності споживають на холостому ходу приблизно 90-100% дизельного палива, а за великих потужностей – 80% GN і 20% дизельного палива. Важливо, щоб тиск у циліндрі після модернізації двигуна не був вищим, ніж допустимо можливий. GN, як паливу, не потрібно випаровуватися для займання, що є необхідним у випадку застосування рідких палив, а тому відсутня проблема холодного запуску. Крім того, можливість застосування в умовах низьких температур є великою перевагою GN у порівнянні, наприклад, із спиртовими паливами. Водночас, проблемою є зберігання GN. Для того, щоб зберігати GN у рідкому стані, необхідне застосування низьких температур (-126 oС за 0,1 MПa). Вплив теплової енергії з навколишнього середовища на паливний бак, у якому зберігається GN, призводить до зростання тиску в баку, в результаті чого газ витікає через щілини у довкілля або потрапляє у двигун. Інтенсивна експлуатація автомашин знижує втрати, що виникли внаслідок випаровування. Якщо автомобіль, що живиться GN, стоїть на стоянці більше двох тижнів, відкривається відбірний регулюючий клапан, в результаті чого втрачається паливо.

Значною проблемою є летючість LNG, що призводить до виникнення загрози вибуху в момент заправки пальним, під час автомобільної катастрофи або пошкодження бака. Очевидно, найбільшою проблемою, пов'язаною з GN, є автозаправні станції, устаткування для яких є дуже дорогим.

Заправка автомашин, що живляться LNG – чиста, безпечна і швидка в порівнянні з заправкою машин дизельним паливом. Для заправки приблизно 450 літрів палива необхідно від 3 до 5 хвилин, тобто менше, ніж у випадку заправки традиційних палив.
Пропан-бутан

Зріджений пропан-бутан (LPG) є сумішшю нафтового і природних газів, знаходиться у рідкому стані за температури довкілля і тиску нижче 1,4 МПа. Застосовується як паливо в автомашинах понад 60 років. Це найбільш поширене паливо серед усіх альтернативних палив – нині 3,9 млн. автомашин у всьому світі застосовують його.

Застосування LPG вимагає введення таких же конструкційних змін у двигуні з іскровим запалюванням, як і в двигуні, що живиться стиснутим природним газом та додаткове застосування випарника для перетворення рідини в пару до моменту її вприску у паливно-повітряний змішувач. У газовому стані LPG має у два рази більшу густину, ніж густина NG. LPG характеризується високим значенням октанового числа, у зв'язку з цим можна конструювати двигун, що живиться LPG, к.к.д. якого буде вищим, ніж у двигуна з іскровим запалюванням. Оскільки LPG зберігається в рідкому стані, його можна значно більше заправити в автомобіль, порівняно з NG. Паливні баки для LPG повинні бути розраховані на робочий тиск близько 1,7 МПа. Для того, щоб складувати таку ж кількість енергії, як у машинах, що живляться бензином, їх паливні баки при живленні LPG повинні мати обсяг на 45 % більший від бензинових.

Емісія в двигунах внутрішнього згорання (ДВЗ), що живляться LPG, співмірна з емісією двигунів, що живляться NG. Молекула пропану має складнішу структуру, ніж молекула метану, і тому у випадку неповного згорання пропану виникає більше шкідливих продуктів, що викидаються з відпрацьованими газами, але менше, ніж у процесах згорання бензину і дизельного палива.

Система живлення LPG працює при тиску, що приблизно дорівнює 1,0 МПа, тому немає втрат, пов’язаних з випаровуванням, характерних для інших рідких палив. Відпрацьовані гази після згорання як LPG, так і природного газу, містять незначні кількості CO, CO2 і твердих часток. Емісія NOx може бути дещо вищою для LPG, ніж для бензину, що викликано вищою температурою згорання. Проте її рівень можна контролювати за допомогою каталізаторів. Нижня межа калорійності пропану приблизно дорівнює природному газу і дещо вища, ніж у бензину. Двигуни, що живляться LPG, повинні бути більш економними, ніж ті, що живляться бензином.

LPG застосовується як паливо в дизельних двигунах, у яких пари палива змішуються із засмоктуваним повітрям, і двигун при великих навантаженнях живиться двома паливами: LPG і дизельним паливом. У цьому випадку загорання викликає невеличка порція дизельного палива.

Склад суміші пропану і бутану в паливі LPG залежить від кліматичних умов, у яких воно використовується. В Україні, наприклад, це паливо містить улітку 40% пропану і 60% бутану, а взимку ця пропорція протилежна. Це пов'язано з тим, що тиск парів бутану нижчий (за 37,8 oС дорівнює 0,26 МПа), щодо тиску парів пропану (за 37,8 oС – 1,2 МПа), що впливає на здатність переходу цих палив у газоподібний стан.
Спиртові палива

Для двигунів внутрішнього згорання можна застосовувати: метиловий (метанол, CH3OH), етиловий (етанол, C2H5OH), а також бутиловий (C4H3OH ) спирти. Вони можуть бути основними паливами для двигуна або застосовуватися як додатки до нафтових палив. Держави, які змушені імпортувати нафту, але мають власні ресурси кам’яного вугілля, зацікавлені у використанні метанолу у двигунах внутрішнього згорання.

Етиловий спирт можна одержати з природного газу, вугілля, біомаси або міських відходів, за допомогою синтезу етилену чи ацетону.

У США метанол, в основному, виробляють з природного газу. Проте для виробництва метанолу потрібні великі енергетичні затрати і тому вирішення проблеми таким шляхом є не найкращим рішенням. Більш економним є виробництво метанолу з вугілля, хоча і цей процес вимагає значних енергетичних затрат. Крім того, під час виробництва і споживання метанолу утворюється значна кількість CO2, яка за розмірами значно перевищує ту кількість, що утворюється в процесах рафінування і споживання бензину.

Енергетичний коефіцієнт корисної дії виробництва метанолу з вугілля становить приблизно 45-50%, тобто дещо нижчий, ніж при виробництві дизельного палива і бензину, отриманого методом Fischera-Tropscha, значення якого досягає 40%. При виробництві метанолу з деревини цей коефіцієнт коливається в межах 42-50%, а з природного газу – 60-70%.

Метанол є чудовим паливом для ДВЗ, має високе значення октанового числа і “чисту” характеристику згорання. Як паливо застосовується в основному суміш M85 (85% метанолу і 15% вуглеводнів), а також чистий метанол M100 (100% метанолу). При застосуванні метанолу коефіцієнт корисної дії двигуна зростає на 15-30% порівняно із застосуванням бензину. Завдяки можливості одержання метанолу з біомаси або міського сміття його можна широко застосовувати як альтернативне паливо.

Найважливішою проблемою, пов'язаною з процесом згорання метанолу, є утворення альдегідів, в основному формальдегіду. Двигуни, що заправляються метанолом викидають у довкілля неспаленний метанол, який є менш реактивний, ніж суміш неспаленних вуглеводнів, що утворюються в процесі роботи ДВЗ.

За низьких температур повітря теплота пароутворення, необхідна для переходу палива з рідкого в газоподібний стан, є недоліком метанолу і етанолу, порівняно з NG і LPG.

Слід зазначити, що за температури нижче -7o С випарувати метанол дуже складно. Він мало придатний для живлення немодифікованих двигунів з запаленням від стискування. Через погану характеристику згорання у дизельних двигунах необхідні додаткові засоби, які ініціюють запалення. Недоліком метанолу є також недостатня його поширеність, доступність для споживачів.

Етанол застосовується для заправки автомашин у формі суміші, яка називається “gasohol” (90% бензину і 10% етанолу). Економічна проблема, яка обмежує застосування етанолу як паливо, пов'язана з тим, що під час його виробництва витрачається більше енергії, ніж утворюється в процесі його згорання.

Етанол можна зберігати у баках і розливати за допомогою такого ж устаткування, як і для бензину. Причому устаткування повинно бути корозійностійким.

Як і у випадку з метанолом, у процесі застосування етанолу проблемою є емісія альдегідів у відпрацьованих газах, в основному ацетальдегіду. Автомашини, що живляться етанолом, емітують також неспалений етанол. За низьких температур, як і в метанолу, виникає проблема, пов'язана з теплотою пароутворення. Етанол характеризується низьким значенням калорійності. На подолання однакової відстані витрачається в 1,5 рази більше етанолу, ніж бензину. Тому і метанол, і етанол не зовсім придатні для застосування в дизельних двигунах без їхньої попередньої модернізації.

З аналізу деяких фізико-хімічних властивостей метилового і етилового спиртів (табл. 2) випливає, що вони мають близьку за значенням калорійність стехіометричної суміші. Температура спалаху етилового спирту вища, ніж етилового, тому метиловий спирт більш придатний для живлення двигунів із високим ступенем стискування, але необхідно застосовувати спеціальну систему, яка ініціює процес займання. При цьому слід звернути увагу на те, що спирти, в основному метиловий, агресивно впливають на елементи двигуна, виготовлені з легких сплавів і неметалевих матеріалів. Тому потрібна спеціальна система живлення. Двигуни, які працюють на спиртових паливах, емітують менше токсичних компонентів у відпрацьованих газах, ніж при застосуванні нафтового палива. Крім того, спиртові двигуни характеризуються меншим ступенем реактивності стосовно озону й обмежують виникнення смогу. Спиртові палива, виготовлені з рослин (відновлювальної сировини), сприяють у зниженні теплового ефекту. Застосування їх при низькому навантаженні двигуна, знижує емісію окисів азоту і сажі. Концерн “Фольксваген” випустив більше 2 млн. автомобілів, що заправляються етиловим спиртом. У рамках програми введення безсвинцевих палив здійснюються дослідження стосовно застосування паливних присадок, що містять кисень (спиртів, етерів) з метою покращення фізико-хімічних властивостей цих палив. Результати проведених досліджень, у яких провідна роль належить концерну “Фольксваген”, підтверджують доцільність застосування присадок до конвенційних палив при одночасному збереженні необхідної динаміки руху, рівнів емісії токсинів і споживання палива. Крім Німеччини, інтенсивні дослідження в галузі використання суміші метилового спирту з етильованим бензином проводяться в Австрії, Новій Зеландії, Судані, Індії, Росії, країнах Південної Африки.

Екологічна свідомість, що створюється у суспільстві, ставить перед урядами держав вимоги з метою одержання додаткових дотацій до екологічних палив, тому що ціна спиртових палив занадто велика, порівняно з цінами нафтових палив.

Щорічне виробництво метилового спирту у вісімдесятих роках досягло 12106 т, тобто приблизно у сто разів менше, ніж споживання транспортними засобами нафтових палив, а етилового спирту, отриманого з рослинних замінників, приблизно 4106 т.

Спирти, за рахунок високого значенням октанового числа, можна додавати до етильованих бензинів з метою його збільшення. Недоліком такого палива є те, що воно адсорбує вологу й призводить до утворення хімічних сполук, які осідають на дно паливного бака та викликають його корозію, а за дуже низької температури довкілля можуть бути причиною виникнення труднощів, пов’язаних із пуском двигуна. Питома теплоємність пароутворення спирту у 8-9 разів більша, ніж у бензину, що призводить до виникнення труднощів із пуском двигуна за температур нижче -10o С. Цей стан можна покращити, внаслідок додавання до палива 5,5 % мас. високолеткого ізопентану.

Таблиця 2

Експлуатаційні властивості деяких палив

Властивість

Рідке паливо

бензин

дизельне паливо

метанол

етанол

Густна за н.у., кг/м3

740

800850

791

810

Калорійність, MДж/кг

43,344,0

40,242,9

19,519,94


25,026,8

Теплота пароутворення, кДж/кг

330

250270

1104

850

Темп. кипіння, oС

30205

170360

65

78

Темп. спалаху, oС

480550

330350

470500

392

Тиск парів за н.у., кПа

6090



37

15,8

Стехіометрична потреба повітря в процесі згорання, кг пов./кг пал.

14,9

14,5

6,52

9

Октанове число:

- мот. метод

- досл. метод


8284

92100




3


8795

106135


94

108

Цетанове число

314

4555

35

8

Maкс. швидкість згорання паливо-повітряної суміші, м/с

3743



55



Температура полум'я в повітрі, oС

20622197



1912

1962

  1   2   3   4

скачати

© Усі права захищені
написати до нас