Газовое моторное топливо уже получило распространение на автомобильном и морском транспорте, а также на стационарных двигателях внутреннего сгорания. Использование сжиженных нефтяных газов (пропана, бутана и их смесей) и природного газа в двигателях внутреннего сгорания не требует глубокой химической переработки сырья, а связано с физическим» методами их подготовки к применению.
Газовые топлива обладают такими достоинствами, как высокие октановые числа, меньший, чем у бензина и дизельного топлива, выброс вредных веществ с отработавшими газами, более высокий моторесурс двигателя и др. Для их применения легко могут быть приспособлены обычные бензиновые и дизельные двигатели. В то же время в обычных условиях эти топлива находятся в газообразном состоянии, т. е. для заправки транспортных средств требуется компримирование или сжижение этих ТОПЛИВ.
Мировое производство сжиженных нефтяных газов в настоящее время превышает 100 млн. т в год, из них более 5 млн. т используется в качестве моторного топлива [135]. Из попутного нефтяного и природного газов сжиженные нефтяные газы извлекаются различными способами —низкотемпературной конденсацией, абсорбцией и ректификацией. Получаемая широкая фракция легких углеводородов состоит преимущественно из пропана и бутанов, которые затем отделяются от более легких и тяжелых углеводородов фракционированием. Для получения сжиженных нефтяных газов из нефтезаводских газов используют методы компримирования и газофракционирования. Названные процессы широко применяются в промышленности и достаточно подробно описаны в специальной литературе [136].
Для хранения сжиженных нефтяных газов на борту автомобилей или других транспортных средств используют цилиндрические сосуды с рабочим давлением до 1,6 МПа, в которых топливо находится в жидком состоянии. Для заправки техники сжиженными нефтяными газами требуется создание специальных автомобильных газонаполнительных станций или передвижных заправщиков.
Природные газы большинства месторождений, прошедшие подготовку на промыслах, содержат до 98% метана. Теплота сгорания метана выше, чем бензина, и составляет 49,9 МДж/кг; •октановое число метана 110 по моторному методу. Для природного газа характерны низкий уровень токсичности продуктов сгорания, отсутствие нагара и смывания слоя смазки в цилиндрах двигателей, узкие пределы образования взрывоопасных смесей с воздухом.
На природный газ могут быть переведены стандартные карбюраторные двигатели путем установки несложной топливной аппаратуры, включающей устройства для редуцирования давления топливного газа и регулирования его расхода в соответствии с режимом работы. Для дизельных двигателей, помимо оснащения их газовой аппаратурой, необходима установка системы искрового зажигания. Может быть использован также газожидкостной процесс, в котором зажигание газовоздушной смеси, подаваемой в цилиндры двигателя, осуществляется за счет впрыска запальной порции дизельного топлива. Дизельные двигатели, работающие на природном газе, широко применяют в самой газовой промышленности в поршневых газоперекачивающих агрегатах и моторо-генераторах с искровым и форка-мерно-факельным зажиганием. При использовании газа в карбюраторных двигателях 1 м3 его для грузовых автомобилей, в среднем, заменяет 1 л, а для легковых автомобилей—1,2 л бензина [137].
Компримированный (сжатый) природный газ в настоящее время применяется на автомобильном транспорте в Италии, Франции, Новой Зеландии, Канаде, США и др. Первый опыт использования компримированного природного газа в нашей стране относится к началу 1950-х годов, когда на него были переведены несколько тысяч автомобилей. Этот вид топлива вновь начал применяться с начала 1980-х годов и сегодня на него переведены десятки тысяч грузовых автомобилей (их число продолжает быстро расти). Разработана и реализуется комплексная программа, предусматривающая создание общесоюзной системы обеспечения транспорта сжатым газом [138].
Хранят компримированный природный газ на борту автомобиля, как правило, в специальных стальных баллонах под давлением МПа (для транспортных средств с небольшим су точным пробегом и стабильными короткими маршрутами давление может быть более низким). Для обеспечения автомобилей компримированным природным газом требуются специальные автогазонаполнительные компрессорные станции.
На автогазонаполнительных компрессорных станциях природный газ, поступающий из газопровода, очищается от капель жидкости и механических частиц в сепараторе и фильтре, затем измеряется его расход и газ подается на прием компрессорных установок. Сжатый до 25 МПа газ направляется на установку осушки, далее в аккумуляторные емкости, а из них через запорную и регулирующую аппаратуру — к газозаправочным колонкам. Стационарные автогазонаполнительные компрессорные станции могут создаваться в блочном исполнении — 125, 250 и 500 заправок в сутки. Затраты на сооружение и эксплуатацию автогазонаполнительных компрессорных станций существенно выше, чем в случае обычных автозаправочных станций, что обусловлено сложностью оборудования и высокими энергетическими затратами на компримирование газа. Энергетические затраты при этом в значительной мере определяются давлением, при котором газ поступает на компрессоры из газопровода. Например, при увеличении входного давления газа с 0,5 до 4,0 МПа удельный расход электроэнергии на сжатие газа снижается в 2,3 раза.
Создаваемые в настоящее время типовые стационарные автогазонаполнительные компрессорные станции на 500 заправок в сутки имеют следующие параметры [1381:
Производительность (1 заправка — 100 м3), заправок/сут 500
Давление газа, МПа:
на входе 0,6—1,5:
на выходе 20
Мощность компрессоров, кВт 800
Число компрессоров, шт. 5
Число газозаправочных колонок, шт. 8
Объем аккумуляторов газа, м3 18
Численность персонала (трехсменная работа), чел.:
при автономном теплоснабжении 20
при централизованном теплоснабжении 15
Площадь занимаемой территории, га 0,7
Расчетное число обслуживаемых автомобилей 1000
Общие капитальные вложения в такую станцию составляют в зависимости от условий привязки 1,3—2,5 млн. руб., а эксплуатационные расходы (без учета стоимости сырьевого газа) — около 365 тыс. руб. в год или 20 руб. на каждые 1000 м3 газа. Помимо стационарных станций, для заправки автомобилей компримированным природным газом могут применяться также малогабаритные гаражные станции и передвижные авто-газозаправщики.
Сжижение позволяет уменьшить объем газа, занимаемый в обычных условиях, почти в 600 раз, т. е. массу топливных емкостей по сравнению с емкостями для сжатого газа можно также значительно уменьшить. Производство сжиженного природного газа получило достаточно широкое промышленное применение при транспорте газа на дальние расстояния морским путем, а также при создании «пиковых» запасов топлива. В настоящее время мировая торговля сжиженным природным газом превышает 42 млрд, м3 в год [139].
В качестве моторного топлива сжиженный природный газ используют в газодизельных двигателях танкеров-метановозов. Рядом фирм Швеции, ФРГ, Франции и США выпущены опытные партии автомобилей и автобусов, эксплуатируемых на этом виде топлива. При переоборудовании серийных автомобилей для работы на таком топливе наряду с газовой аппаратурой устанавливают специальные криогенные емкости и испаритель (для утилизации тепла отработавших газов двигателя). Проведены испытания, показавшие возможность использования сжиженного природного газа в качестве топлива для авиации.
Природный газ подвергается сжижению на специальных установках путем его охлаждения до температуры —162 °С. В состав установок входят следующие блоки и узлы: блок очистки газа от диоксида углерода, блок осушки газа, низкотемпературный блок сжижения с узлами компримирования хладагента и сырьевого газа, узел вывода широкой фракции углеводородов я узел получения компонентов хладагента. Расход энергии на таких установках зависит от выбранной технологической схемы холодильного цикла и составляет 0,5—0,7 кВт-ч/кг сжиженного газа.
В блоке сжижения могут использоваться различные холодильные циклы: классический каскадный цикл на трех хладагентах, однопоточный цикл на многокомпонентной смеси, однопоточный каскадный цикл на многокомпонентной смеси и холодильные циклы на расширительных машинах-турбодетандерах. Сегодня наиболее распространены установки с каскадными циклами сжижения, которые обеспечивают наименьший расход энергии. В то же время установки с однопоточными циклами, хотя и более энергоемки, отличаются простотой и меньшим числом единиц оборудования. В качестве хладагентов в классическом каскадном цикле обычно употребляют пропан, этилен и метан, а в циклах со смешанными хладагентами — различные смеси азота, метана, этана, пропана и бутанов.
Для предприятий по сжижению природного газа на долю системы хранения получаемого сжиженного газа может приходиться до 50—70% стоимости предприятия. Основными задачами, которые должны решаться при хранении сжиженного природного газа, являются минимизация испарения газа и обеспечение взрывобезопасности. В промышленности для стационарного хранения сжиженного природного газа используют наземные или подземные емкости из предварительно напряженного железобетона, двухстенные изотермические резервуары из металла, а также хранилища в замороженном грунте.
Капитальные и эксплуатационные затраты на производство сжиженного природного газа существенно выше, чем в случае получения компримированного газа. Однако этот способ использования природного газа в качестве моторного топлива может представлять интерес для крупнотоннажных потребителей, действующих на стационарных маршрутах (например, железнодорожный и авиационный транспорт), а также при сочетании получения сжиженного природного газа как моторного и «пикового» энергетического топлива.
⇐Топлива из биомассы | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Производство водорода⇒