Продукты газификации

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

Основные элементы газогенераторной установки автомобиля

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 «Уо1кэ\уа§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

Схема термовоздушного газификатора бензина

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

Схема установки паровой конверсии бензина

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

Варианты термокаталитической конверсии метанола при атмосферном (а) и высоком (б) давлениях

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