В течение ряда лет неоднократно изучалась и в отдельных случаях находила практическое воплощение идея использования продуктов предварительной газификации топлива в тепловых двигателях. Так, в 20—30-е годы широко использовали на автомобилях продукты газификации твердого топлива — древесные чурки, древесный и каменный уголь, торфяные и соломенные брикеты и др. Газификация осуществлялась в специальном газогенераторе, установленном на автомобиле (такие автомобили называли газогенераторными). Газогенераторная установка включала агрегаты очистки и охлаждения получаемого газа и приспособления для розжига топлива и обеспечения пуска двигателя. Основной топливный газ, получаемый при газификации, — оксид углерода. Кроме того, в продуктах газификации содержались водород, метан и другие горючие газы. Например, средний состав газа, получаемого из древесных чурок с абсолютной влажностью 20%, таков: 20,9% (об.) СО, 16,1% (об.) Н2, 2,3% (об.) СН4, 0,2% (об.) СпНт, 9,2% (об.) С02, 1,6% (об.) 02 и 49,7% (об.) Ы2. Теплота сгорания газа — около 5 МДж/м3, а горючей смеси с воздухом — 2,39 МДж/м3.
В нашей стране серийно выпускались газогенераторные автомобили ГАЗ-42 и ЗИС-21 (рис. 4.28), имевшие массу снаряженной газогенераторной установки 360 и 600 кг соответственно. При всех недостатках газогенераторных автомобилей (сложность эксплуатации, небольшие мощность двигателя и грузоподъемность) они обладали одним бесспорным преимуществом — возможностью работы на доступном и дешевом твердом топливе. В настоящее время в связи с изменением цены на нефтяные топлива во многих странах вновь возрождается интерес к газогенераторным автомобилям. В качестве основных сырьевых горючих материалов для них предлагаются различные органические отходы сельского хозяйства и лесной промышленности.
В последние годы возрос интерес к применению процессов газификации и конверсии жидких моторных топлив на борту автотранспортного средства с целью повышения энергетической эффективности традиционных поршневых двигателей и улучшения их экологических характеристик.
С точки зрения практической эффективности разнообразные способы газификации можно разделить на две группы: 1) газификация топлива в высококалорийный газ, содержащий компоненты с повышенной детонационной стойкостью; 2) газификация и конверсия топлива в газ с повышенным содержанием водорода — водородный синтез-газ. При этом возможна как
Рис 4.28. Основные элементы газогенераторной установки автомобиля
ГАЗ-42:
1 — вспомогательный карбюратор; 2 — газогенератор; 3 — очиститепь-охладнтель топлив-ного газа; 4 — вентилятор для запуска генератора; 5 — смеситель для приготовления газовоздушной смеси; 6 — тонкий очиститель газа полная, так и частичная газификация топлива. Преимущество всех процессов газификации то же, что и в известных случаях применения газовых топлив: улучшение смесеобразования и сгорания топлива, повышение энергетической экономичности двигателя, снижение содержания в отработавших газах вредных выбросов оксида углерода и суммарных углеводородов.
Достоинством методов газификации топлива в высокооктановый газ является возможность использования в современных двигателях с повышенной степенью сжатия низкооктановых бензинов, что позволяет расширить их ресурсы в производстве и снизить потери нефтяных фракций. Одновременно, в случае полной или достаточно глубокой газификации исходного сырья степень сжатия двигателя может быть дополнительно повышена на 2—4 ед., что, в свою очередь, приведет к улучшению его энергетической эффективности.
Наибольшее распространение получил процесс газификации путем неполного окисления сырья при коэффициентах избытка воздуха а = 0,1—0,5. В результате неполного сгорания топлива образуются водород, оксид углерода и углеводородные газы, в основном метан, этилен, пропилен и бутены. Состав синтез-газа зависит от способа организации процесса, состава сырья и катализатора, давления и температуры.
Основными недостатками данного процесса газификации являются энергетические потери, связанные с частичным окислением углеводородного сырья, а также коксообразование, ухудшающее эксплуатационные качества синтез-газа. При коэффициентах избытка воздуха а=0,1 тепловые потери сравнительно невелики и не превышают 5—10%, но содержание кокса составляет 0,2—0,3% (масс.) и значительно увеличивается при дальнейшем обогащении топливной смеси.
Среди разнообразных конструкций устройств для газификации моторных топлив в высокооктановый газ следует отметить газификатор фирмы «Siemens», который испытан в стендовых условиях на двигателях «Уо1кэуа§еп-1,61» и «Мегэебеэ Вепг-2,1». Из низкооктанового прямогонного бензина газификатор обеспечивал получение синтез-газа с октановым числом около 108 следующего состава: 4—6% (об.) Н2, 8—19% (об.) СН4,
8—9% (об.) СО, 3,5—6% (об.) С02 и 50—55% (об.) Ы2; к.п.д. газификатора — около 95%. Газификация топлива обеспечивала расширение предела обеднения топливной смеси до а = = 1,45—1,6, что в совокупности с другими факторами позволило повысить энергетический к. п. д. двигателей на 10—15% и снизить выбросы оксидов углерода и азота в 3—6 и 1,2— 1,5 раза соответственно.
Получение газа с повышенным содержанием водорода может быть осуществлено термовоздушной, паровой или термокаталитической конверсией. При термовоздушной конверсии происходит неполное окисление углеводородного сырья и в продуктах реакции наряду с Н2 и СО содержится довольно много паров воды, диоксида углерода, метана и других углеводородов. Теоретически возможный выход водорода может достигать 25—28% (об.) при а~0,1, однако обычно он не превышает 20% (об.). Кроме того, отмечается интенсивное коксообразование и выпадание сажи. Поэтому на практике, как правило, используется режим с а = 0,25—0,35. Основные недостатки рассматриваемого процесса те же, что и ранее: энергетические потери и склонность к коксообразованию. Для устранения их используют подачу водяного пара, что обеспечивает выход газа без твердой фазы при а = 0,20—0,26.
Среди большого числа разработанных конструкций термовоздушных газификаторов водородной конверсии наибольшую известность получил газификатор (рис. 4.29), созданный в лаборатории реактивных установок ведомства НАСА (США). Газификатор представляет собой теплоизолированный реактор с блоком катализатора на основе никеля. Он оснащен теплообменниками для подогрева топлива и воздуха за счет тепла
Рис. 4.29. Схема термовоздушного газификатора бензина:
1 — эмульсионная форсунка; 2— испарительная спираль; 3 — катализатор; 4 термопара; 5 —диафрагмы; « — сильфон; 7 — решетка; « — теплообменник; 9 — керамический корпус; 10 — реакционная камера; 11 — запальная свеча; 12 — электроклапан; 13 — форсуночная головка; 14 — шнековый завихритель; 15 — струйная форсунка получаемого синтез-газа эмульсионной форсункой для подачи топливовоздушной смеси и автоматической системой управления режимом работы газификатора. Запуск газификатора осуществляется с помощью свечи при а~0,6, после чего при достижении рабочей температуры катализатора (900—950 °С) он автоматически переходит на рабочий режим са~0,35; к. п. д. газификатора на этом режиме составляет 0,75—0,78, а получаемый синтез-газ характеризуется следующим составом [в % (об.)1: Н2 —21,6, СО —23,6, С02—1,2, N2 —51,2. Газифика тор прошел всесторонние испытания в стендовых условиях в составе двигателя, а также на автомобиле «Chevrolet» на беговых барабанах и в дорожных условиях. Испытания показали возможность существенного повышения энергетической эффективности двигателя и снижения выбросов ряда вредных веществ при работе с газификатором [175]. В целом показана возможность повышения энергетической эффективности двигателя и автомобиля за счет водородной конверсии на 25—40%, что согласуется с результатами испытаний на бензино-водородном питании при использовании чистого водорода.
Паровая конверсия углеводородного топлива в конструктивном оформлении более сложная. Это обусловлено необходимостью иметь дополнительную емкость для воды, систему ее подачи и дозирования.
В Институте газа АН УССР разработана двухступенчатая схема паровой конверсии бензина, которая реализована на малогабаритной передвижной установке*. Установка УКБ-1
* Дмитриенко В. И., Мищенко Н. Т„ Веселов В. В. Малогабаритная передвижная установка для паровой конверсии бензина//Каталитическая конверсия углеводородов. Киев: Наукова думка. 1979. Вып. 4. С. 73—77.
(рис. 4.30) включает сырьевой узел, аппарат для конверсии бензина (совмещающий функции реактора газификации бензина и высокотемпературной конверсии метана), реактор для паровой конверсии оксида углерода и аппарат для сероочистки. Производительность установки (по газу) 0,2—2,4 м3/ч, выход водорода 35—70% (об.), массовое отношение вода : бензин = 3,4—5,0, температура 300—750°С; масса установки без сырья и катализатора — 75 кг.
При изучении паровой конверсии н-гептана на установке УКБ-1 установлено, что выход водорода и производительность процесса растут с повышением температуры и избытка водяного пара. Увеличение же давления резко снижает выход водорода: в диапазоне 0,5—1,5 МПа от 56,8 до 42,1% (об.).
В качестве сырья процесса термокаталитической конверсии наибольшее применение получил метанол, что связано с высоким содержанием водорода в этом продукте (свыше 12%). низкой температурой процесса (200—300°С), его высокой энергетической эффективностью и простотой организации. Согласно термодинамическим расчетам, в продуктах конверсии водных растворов метанола может содержаться до 70% Н?. При использовании тепла отработавших газов на каждый моль превращенного метанола утилизируется —75 кДж тепла, благодаря чему теоретический к. п. д. системы газификатор —¦ двигатель внутреннего сгорания повышается примерно на 11%.
К настоящему времени созданы разнообразные конструкции термокаталитических газификаторов метанола. Работа большинства из них реализуется пй одной из схем, показанных на
Рис. 4.30. Схема установки паровой конверсии бензина:
1 — бачки бензина и воды; 2 — насос-дозатор; 3 — топочное устройство; 4 — реактор конверсии бензина; 5 — змеевик; 6-—реактор паровой- конверсии СО; 7 — устройство сероочистки; 8— стойки; 9, 12 — фиксаторы; 10 — тепловая изоляция; 11—корпус; 13—15 — термопары; 16 — ресивер природного газа; 17 — холодильник-конденсатор; 18 — влагоот-делитель; 19 — ротаметр; 20 — регулятор давления
Рис. 4.31. Варианты термокаталитической конверсии метанола при атмосферном (а) и высоком (б) давлениях:
1 — бак с метанолом; 2 — испаритель; 3 — реактор; 4 — двигатель; 5 — радиатор двигателя; 6 — насос;
I — отработавшие газы; //—охлаждающая жидкость; III— бензин; IV — воздух рис. 4.31. В качестве катализатора используют промышленные цинк-хром-медные катализаторы. При температуре ~300°С и объемной скорости подачи сырья 2000—2500 ч“1 обеспечивается степень конверсии не менее 80% паров метанола с выходом 2 м3/ч синтез-газа с 1 л катализатора. На катализаторе 2пО1 /СиО при температуре 300°С и давлении 147 кПа получен синтез-газ следующего состава [в % (об.)]: Н2—63, СО—24,
С02—4, СН4— 1, СНзОСНз—3, СНзОН—5 [175].
По сравнению с системами хранения водородного топлива (криогенной, гидридной и газобаллонной) при использовании метанольного газификатора масса топливной системы снижается в 7—10 раз. Кроме того, отмечается более высокий эффективный к. п. д. двигателя на частичных нагрузках. Например, при стендовых испытаниях двигателя с рабочим объемом 2,4 л и е = 8,2 на модельном синтез-газе, соответствующем по составу продуктам конверсии метанола, обеспечивалась устойчивая работа при а = 2,4 [176]. При этом эффективный к. п. д. по сравнению с бензиновым вариантом возрос на 21%, а выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами практически отсутствовали.
⇐Водородные топлива | Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов | Прочие виды альтернативных топлив⇒