Спиртовые топлива ВЫПОЛНИЛ: СТУДЕНТ ОХТ-18-01, МИХАЙЛОВ А.Н. ПРОВЕРИЛА: СТ. ПРЕП., МАКАРЧУК Н.В. Общие сведения Наряду с газовыми моторными топливами в качестве альтернативных наиболее широко используются спиртовые топлива (низкомолекулярные спирты – метанол, этанол) или так называемые оксигенатные топлива, содержащие в своем составе наряду с углеводородным топливом (бензином, дизельным топливом) различные количества кислородсодержащих добавок (КСД). В качестве последних используются спирты (метанол, этанол и др.), а также простые эфиры метил-третбутиловый (МТБЭ), метил-третамиловый (МТАЭ), этил-третбутиловый (ЭТБЭ), диизопропиловый (ДИПЭ) и др. Количество оксигената, вводимое в состав автомобильных бензинов, ограничивается содержанием кислорода, которое вносится в бензин и которое не должно, как правило, превышать 2,7% масс. Особое место в ряду простых эфиров занимает диметиловый эфир(ДМЭ), который может использоваться как дизельное топливо или в качестве добавки к нему. Физико-химические и эскплуатационные свойства оксигенатов Физико-химические и эскплуатационные свойства оксигенатов Достоинства спиртовых топлив Из большого числа алифатических спиртов в качестве моторных топлив нашли ограниченное применение только метанол и этанол. Это обстоятельство обусловлено значительными объемами их производства (десятки миллионов тонн), высокими анти-детонационными свойствами, возможностью экономии нефтяных ресурсов при условии производства этих спиртов из альтернативных источников сырья. К положительным качествам метанола и этанола относятся: – высокие антидетонационные свойства, что позволяет повысить степень сжатия в камере сгорания до 12-14 и снизить удельный расход энергии на единицу мощности (повысить к.п.д .двигателя) – температура сгорания спиртов ниже температуры сгорания бензина и это приводит к уменьшению содержания в отработавших газах оксидов азота, которые образуются при температуре выше 1090 ºС – наличие атома кислорода в молекуле спиртов приводит к уменьшению стехиометрического соотношения топливо : воздух и как следствие увеличению скорости сгорания и уменьшению содержания СО в отработавших газах Недостатки спиртовых топлив Среди основных недостатков следует выделить следующие: пониженная (почти в 2 раза) по сравнению с углеводородными топливами теплота сгорания, что оказывает отрицательное влияние на мощностные характеристики двигателя низкая объёмная энергоплотность спиртов по сравнению с углеводородными топливами (16 МДж/л для метанола и 21 МДж/л для этанола против 32 МДж/л для бензина) приводит к увеличению почти в 2 раза удельного расхода спиртового топлива и требует для обеспечения одинакового запаса хода почти вдвое больший объем топливного бака для метанола и в 1,5 раза для этанола низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения, в 4-5 раз превосходящие эти показатели углеводородных топлив, затрудняют, а иногда даже делают невозможным пуск двигателя при низких температурах; запуск карбюраторных двигателей на спиртовых топливах невозможен уже при температуре ниже +10 С неограниченная растворимость метанола и этанола в воде, контакта с которой практически невозможно избежать при хранении, транспортировке, заправке автомобилей и прочих операциях попадание даже небольшого количества воды резко ухудшает эксплуатационные свойства спиртовых топлив, приводит к вымыванию спиртов из бензина и переходу их в нижний водноспиртовой слой – высокая коррозионная агрессивность самих спиртов и особенно продуктов их превращений (низкомолекулярные кислоты, альдегиды и т.п.), усиливающаяся в присутствии воды Метанол. Свойства. Метанол (метиловый или древесный спирт) представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым и чуть острым запахом. Хорошо смешивается с водой. Физические и химические свойства метанола приведены в таблице. Среди всех кислородсодержащих добавок метанол является наиболее эффективной добавкой в отношении снижения эмиссии СО, [СН] и NОх. Безводный метанол при обычных температурах хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но даже малейшее попадание воды вызывает расслаивание смеси. Стабилизация бензино-метанольных смесей может быть осуществлена введением спиртовС4-С8 в количестве сравнимом или вдвое меньшем содержания метанола в смеси, что приводит к удорожанию топлива и не решает проблемы стабилизации бензино-метанольной смеси до конца. Экологичность метанола В США была проведена сравнительная оценка безопасности использования пяти топлив: М85, М92, М100, бензина и дизельного топлива. Результаты этой оценки, представлены на рис. Как видно из представленных данных, полный риск для здоровья и безопасности у топлив М85, М92 и М100 приблизительно одинаков и риск использования метанольных смесей (М85 и М92) и чистого метанола (М100) расположен между бензином и дизельным топливом. Метанол. Производство. Метанол в России вырабатывается по ГОСТ 2222-95 (метанол технический синтетический) двух марок А и Б; ежегодная выработка метанола в России находится на уровне 1,8 – 2,0 млн. т. Объём производства метанола в мире около 30 млн. т в год, что составляет всего около 3% от объема производства бензина, таким образом, метанол не может заменить бензин в полном объеме и может рассматриваться в лучшем случае как возможный компонент автомобильных бензинов. Использование метанола как моторного топлива В качестве моторного топлива или его компонента в США используется всего около 170 тыс. т. метанола, что составляет около 0,04% от выработки бензина в США; В странах Зап. Европы для этих целей расходуется около 2 млн. т. Метанол используется на автотранспорте в ФРГ: бензино-метанольные смеси М15 (до15% метанола) и М100 – метанол с добавкой до 5% низкокипящих бензиновых фракций; В китае проводятся длительные (в течение почти 20 лет) широкомасштабные испытания бензино-метанольных смесей на различных марках автомобилей, в разных условиях с определением эксплуатационных свойств, выявлением оптимальных составов, уточнением экономических и экологических аспектов применения таких топлив. В Японии с 1993 г. Допущены к коммерческой эксплуатации автомобили, использующие в качестве топлива бензин М-85 с содержанием метанола 85%; В середине 80-х годов прошлого столетия в СССР проводились длительные и всесторонние испытания бензино-метанольных смесей, содержащих 5 и 15% метанола– БМС-5 и БМС-15, которые наряду с положительными результатами имели много недостатков, что не позволило рекомендовать их к широкому применению. В России на основе метанола разработаны рецептуры нескольких октаноповышающих добавок к бензинам, в частности добавка «ОДЭ-М» (ТУ 0258-080-11726438-2000), содержащая кроме метанола стабилизатор, моющую присадку и ингибитор коррозии. Этанол. Характеристика свойств. Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с метиловым спиртом этанол используется в качестве компонента моторного топлива в значительно больших объемах. Так, в США в моторных топливах используется более 4 млн.т этанола, что составляет около 1,3% от объема производства бензина. Это обстоятельство обусловлено следующими преимуществами этанола: более высокая теплотворная способность – на 35% выше, чем у метанола; лучшая растворимость в бензине; меньшая коррозионная агрессивность по отношению к резинотехническим изделиям и металлам; значительно меньшая токсичность; бензины, содержащие этанол, характеризуются лучшими антидетонационными свойствами. Требования к топливному этанолу В табл. представлены требования, предъявляемые к топливному этанолу зарубежом (АSТМ D 4806-98 «Денатурированный топливный этанол, предназначенный для использования в качестве топливадлядвигателейсискров ымзажиганием»). Аналогичные федеральные требования на этанол для использования в качестве моторного топлива или в качестве компонента смесевых топлив. В России в настоящее время не разработаны. Получение этанола Этанол в промышленности получают несколькими способами: Методом прямой или сернокислотной гидратации этилена, так называемый синтетический этанол (этилен получают пиролизом газообразного или жидкого видов сырья, полученных из природных газов или нефти); Гидролизом непищевого растительного сырья – гидролизный этанол; Ферментативной переработкой пищевого растительного сырья – пищевой этанол. Этанол, полученный гидратацией этилена и гидролизом непищевого сырья, называется техническим и используется для различных технических целей, в т. ч. в качестве моторного топлива или его компонента. При производстве этанола методом прямой гидратации этилена используются фосфорнокислотные катализаторы на твердом носителе; процесс протекает при температуре 260-280 С и давлении 7-8 МПа. Синтез этанола методом прямой гидратации При производстве этанола методом прямой гидратации этилена используются фосфорнокислотные катализаторы на твердом носителе; процесс протекает при температуре 260-280 С и давлении 7-8 МПа. Существенным недостатком процесса являются низкая конверсия сырья (4-5%) за проход, что приводит к необходимости рециркуляции больших количеств непревращенного сырья, а также высокая коррозионная агрессивность катализатора и его унос из зоны реакции. Лучшими свойствами обладают твердые вольфрамовые катализаторы, но они значительно дороже фосфорнокислотных. Сернокислотная гидратация этилена является процессом устаревшими в настоящее время применяется ограниченно. Применение чистого этанола Необходимо отметить, что «чистый» этанол концентрацией 95 и более % используется в качестве моторного топлива в сравнительно небольших объемах, наиболее широко применяются различные смеси бензина с этанолом, содержащие 5-10 % или 85-95% спирта, при этом в основном используется этанол, полученный из возобновляемых источников растительного сырья, иногда называемый биоэтанолом. Для производства биоэтанола требуется значительно больше энергии, чем для производства традиционного топлива (бензина) из нефти. Энергия, необходимая для посадки, ухода, производства удобрений, уборки и переработки (ферментация) зерна, сахарного тростника или кукурузы практически равна энергосодержанию полученного биоэтанола. В то же время затраты энергии на производство топлива из нефти составляют около 10-30% от энергосодержания полученного топлива. Применение этанола в качестве моторного топлива Наиболее широко этанол в качестве моторного топлива используется в Бразилии, что обусловлено небольшим объёмом добычи нефти в этой стране и значительными возможностями по производству этанола из растительного сырья – сахарного тростника. Более 2,5 млн. автомобилей (90% автопарка) в Бразилии используют моторное топливо в большем или меньшем количестве содержащее этанол, что определяется нежеланием страны зависеть от импорта нефти. Значительное место занимает этанол и в производстве моторных топлив в США. В 2004 г. в США было выработано около 10,1 млн. т этанола, главным образом из возобновляемого сырья – кукурузы (из одного бушеля (36,3 л) получается 9,8 л этанола). Перспективы применения этанола Бензино-этанольное топливо Е-85 (85% этанола и 15% бензина) привело к необходимости разработки новой концепции автомобиля с гибкой топливной системой - FFV (flexible fuel vechicle), которые должны обладать рядом характеристик : Они должны иметь единый топливный бак для любого вида горючего, как для бензина, несодержащего этанол, так и для 100 %-го спирта и соответственно должны иметь систему автоматической перенастройки и поддержания необходимого соотношения топливо : воздух в зависимости от состава топлива; резино-технические изделия должны быть устойчивы по отношению к спирту и бензину; энергетические характеристики должны быть на должном уровне; – неполное сгорание этанола приводит к увеличению содержания альдегидов в отработавших газах, поэтому использование каталитических нейтрализаторов является необходимым. Компания «General Motors» приступила к выпуску FFV – автомобилей в 1990 г. ив 1992 г. Было произведено 50 автомобилей Chevrolet Lumina Variable Fuel Vechicles (VFV), в 1993 г. – 320 автомобилей. Прогнозы и перспективы применения этанола Особенности использования спиртовых топлив При использовании спиртов отмечены повышенные износы деталей цилиндро-поршневой группы в обоих типах двигателей – бензиновом и дизельном. Основными причинами этого являются: попадание в камеру сгорания значительного количества неиспарившегося спирта, обусловленное высокой теплотой испарения и смыв им смазки, приводит к износу уплотнительных колец и стенок цилиндра; Попадание спирта в картер двигателя и образование в нем масло-водоспиртовой эмульсии, обладающей плохими смазывающими свойствами, что приводит к износу трущихся деталей карданного вала; Взаимодействие спиртов в картере с присадками, введенными в состав масла и ухудшение тем самым эксплуатационных свойств масла. Выводы Существенным недостатком спиртовых топлив на основе этанола является также их более высокая стоимость по сравнению с нефтяными, что значительно ухудшает экономические показатели его применения в качестве моторного топлива. Рассмотренные недостатки чисто спиртовых топлив перекрывают их достоинства. Это привело к тому, что спиртовые топлива не применяются в дизельных двигателях и нашли ограниченное применение лишь в двигателях с искровым зажиганием спортивных автомобилей. Поэтому в настоящее время в более широкое применение находят так называемые смесевые топлива, т.е. углеводородные топлива (в основном автомобильные бензины), содержащие низкомолекулярные спирты, чаще этанол, в количествах от нескольких процентов (5-10) до десятков процентов (85-95). В последних углеводородное топливо выполняет роль одоранта.
