Analysis of technologies for chemical converting of alternative energy sources into motor fuel

Abstract

Results of comparative analysis of technologies for converting some kinds of alternative energy sources into fuel for motor-and-tractor engines are given. Choosing of the most acceptable raw material for production of efficient motor fuel is substantiated.

Full Text

УДК 621.436 ТСМ № 10-2014 Анализ технологий химического преобразования альтернативных источников энергии в моторное топливо Д-р техн. наук В.М. Фомин (Университет машиностроения (МАМИ), mixalichdm@mail.ru) Аннотация. Приведены результаты сравнительного анализа технологий переработки некоторых видов альтернативных источников энергии в топливо для автотракторных двигателей. Обоснован выбор наиболее приемлемого сырьевого продукта для производства эффективного моторного топлива. Ключевые слова: конверсия, термохимическая переработка, процесс парциального окисления, пиролиз, газификация биомассы. В сфере транспортного энергопотребления прослеживается тенденция к последовательному переходу от традиционной органической к альтернативной экологически совершенной энергетике. Увеличение доли этой энергетики в общем балансе энергообеспечения способно существенно повлиять на структуру потребления нефтяных топлив, а также на результирующие показатели по повышению экологической и энергетической безопасности в среде эксплуатации мобильной техники. Отдельные виды потенциальных источников альтернативной энергии представляют собой соединения, которые могут быть непосредственно использованы в качестве самостоятельного вида топлива для двигателей транспортно-технологических средств (ТТС). Однако не все альтернативные энергоносители в полной мере обладают необходимыми свойствами моторных топлив. В связи с этим полагают [1, 2], что подобные энергоносители целесообразно подвергать предварительному технологическому циклу химического (термохимического) преобразования с целью получения новых видов топлива, более приспособленных к условиям работы двигателя. Из сказанного следует, что при выборе альтернативного энергоносителя в каждом конкретном случае необходимо учитывать целесообразность его применения в том виде, при котором достигается наибольшая степень эффективности двигателя с учетом приемлемых технических и экономических затрат на организацию технологии его преобразования. Процессы химического преобразования альтернативного сырьевого источника в высокоэффективный вид топлива сопровождаются затратами энергии и связаны с разработкой для этой цели соответствующей технологической структуры. Для обоснованного поиска наиболее рентабельных технологических приемов преобразования энергетического сырья в моторное топливо необходимо проведение углубленного аналитического исследования. Основные виды потенциальных сырьевых источников альтернативной энергии К настоящему времени по итогам предварительных исследований выявлен ряд сырьевых источников энергии, которые потенциально могут быть преобразованы в эффективное моторное топливо для энергоустановок ТТС. К сырьевой энергетической среде в первую очередь относят углеводородные соединения, процесс термохимического преобразования которых сопровождается выходом главного целевого компонента - водорода. Присутствие водородного компонента в составе синтезированного топлива обусловливает уникальные кинетические и экологические показатели его сгорания, высокую эффективность рабочего цикла двигателя. Это немаловажный фактор, который наряду с другими необходимо учитывать при выборе исходного сырьевого продукта. В общем виде основные факторы, определяющие пригодность сырьевого энергетического продукта для производства моторного топлива, это: - доля содержания водорода в его химической структуре; - исходные энергетические характеристики; - сложность и энергетические затраты переработки; - стоимость и наличие производства; - наличие в перспективе необходимой сырьевой базы, в т.ч. и возобновляемого сырья; - наличие бортовых систем хранения и переработки продукта с приемлемыми массогабаритными характеристиками. К таким сырьевым продуктам могут быть отнесены: природный газ, низшие спирты (метанол, этанол), простейшие эфиры и предельные углеводороды (метан, пропан-бутан, традиционные нефтяные топлива). Природный газ (метан, СН4) находит широкое применение в качестве самостоятельного вида топлива на транспорте. Как сырье для получения нового вида водородосодержащего топлива он имеет ряд преимуществ: • крупные запасы газа в нашей стране и относительно невысокая стоимость; • наличие инфраструктуры для транспортировки; • высокое содержание водорода. Метанол (метиловый спирт, СН3ОН) может быть получен из любого сырья, содержащего углерод, например природного газа, угля или биомассы. В России имеются отлаженные технологии массового производства метанола с удовлетворительными технико-экономическими показателями. Он уже находит самостоятельное применение в качестве основного или частичного заменителя нефтяного топлива для двигателей. Распространено мнение, что метанол при использовании в качестве энергоносителя более токсичен по сравнению с традиционными видами топлива. В соответствии с действующим в России нормативом предельно допустимой концентрации, относительная агрессивность метанола составляет 5,9 усл.т/т. Для бензина с преобладанием непредельных и ароматических углеводородов этот показатель соответствует 17,5, для дизельного топлива - 2,1. То есть токсичность паров метанола примерно в 3 раза ниже, чем у бензина, и примерно в 3 раза выше, чем у дизельного топлива. За рубежом накоплен огромный опыт применения двигателей с питанием метанолом, показывающий, что при соблюдении правил эксплуатации ТТС опасность использования метанола не превышает опасности использования традиционных нефтяных топлив. В нашей стране и за рубежом проведены оценки риска здоровью человека и безопасности при применении метанола, включающие: взрыв; утечки из топливного бака; характеристики сгорания топлива; токсическое действие топлива на человека при попадании внутрь, вдыхании, попадании на кожу или контакте с глазами. Результаты указывают на то, что риск при использовании метанола значительно ниже, чем при применении бензина, и несколько выше, чем при использовании дизельного топлива. Основные преимущества метанола как исходного сырья для получения нового вида моторного топлива: • низкая температура переработки (конверсии); • простота хранения на борту ТТС; • наличие крупнотоннажного промышленного производства; • наличие возобновляемого сырьевого источника - биомассы; • относительно невысокая стоимость. Этанол (C2H5OH) - одноатомный спирт, производится преимущественно из биомассы (сахарного тростника, кукурузы и др.). В ряде зарубежных стран путем смешивания этанола и бензина в определенных пропорциях производят биотопливо марок Е85 (85% этанола и 15% бензина) и Е10 (10% этанола и 90% бензина). Однако использование биотоплив с большим содержанием спирта требует значительных изменений в конструкции серийных двигателей. В ряде случаев этанол целесообразно использовать в качестве сырьевого продукта для получения эффективного вида моторного топлива. Этанол по своим физико-химическим свойствам во многом близок к метанолу, и технологию его переработки в новый вид моторного топлива достаточно просто адаптировать к существующим системам конверсии. При этом реализуются все рассмотренные выше преимущества метанола. Традиционные нефтяные топлива. В отличие от метана и спиртов нефтяные топлива не являются монокомпонентными соединениями и состоят из смеси множества предельных углеводородов. Композиционный характер нефтяных топлив как исходного сырья для получения нового газообразного вида топлива создает определенные трудности при создании эффективного конверсионного процесса. При использовании смеси углеводородов, очевидно, в принципе невозможно добиться таких же высоких результатов, как на однородном соединении (метан, метанол, этанол). При этом необходима сложная очистка от серосодержащих соединений, которые ограничивают применение современных катализаторов. Кроме того, из-за многообразия углеводородов трудно избежать осаждения сажи в конверсионном блоке, что уменьшает ресурс его работы. Анализ энергетических характеристик сырьевых источников энергии Практика показывает, что многие из известных видов энергоносителей могут быть использованы (с различной степенью эффективности и технологических затрат) как самостоятельное топливо для ТТС. Для обоснованного выбора сырьевого источника энергии необходима предварительная оценка по условию энергетической целесообразности его применения в том или ином виде в качестве моторного топлива. Целесообразность химического преобразования любого энергоносителя будет определяться свойствами нового вида (синтезированного) топлива, которые потенциально способны повысить уровень энергетической эффективности двигателя ТТС. Наиболее важные оценочные факторы, определяющие обоснованность выбора углеводородного соединения в качестве исходного сырьевого продукта, - содержание водорода и удельные энергетические характеристики (табл. 1). Таблица 1 Сравнительные энергетические характеристики некоторых энергоносителей Вид энергоносителя Содержание водорода, % масс. Удельная массовая энергия, МДж/кг Удельная объемная энергия, МДж/л Газообразный метан СН4 , р = 35 МПа 25 50 12 Жидкий метан СН4 (-160 °С) 25 50 35 Пропан-бутан (сжиженный) 15-18 46-49 27-29 Метанол СН3ОН 12,5 20 16 Этанол С2Н5ОН 12 27 22 Нефтяное топливо ~14 42-44 ~30 Видно, что по сравнению с другими приведенными в табл. 1 углеводородными соединениями сжиженный метан и нефтяное моторное топливо имеют наиболее высокий уровень по показателям удельного энергосодержания. Поэтому данные энергоносители могут быть эффективно использованы непосредственно в качестве самостоятельного моторного топлива. Правда, для жидкого метана необходимо предусмотреть криогенные блоки хранения, что связано с соответствующими эксплуатационными проблемами. По комплексу приведенных энергетических характеристик метанол заметно уступает другим видам топлива, и его предпочтительно использовать в качестве источника нового, более эффективного вида водородосодержащего топлива для ТТС. Что касается этанола, то он во многом близок к метанолу, прежде всего по фактору адаптации к существующим системам конверсии. Поэтому он может быть эффективно использован в качестве сырьевого продукта для выработки нового моторного топлива, но не исключена и возможность его использования в исходном виде. Целесообразность его применения в том или ином виде как моторного топлива должна оцениваться в каждом конкретном случае с учетом соблюдения необходимых требований к эффективным и экологическим качествам энергоустановки ТТС. Сравнительный анализ энергетических затрат на организацию термохимической переработки сырьевого продукта Другой немаловажный фактор, определяющий целесообразность выбора сырьевого источника энергии, - показатель энергетических затрат на организацию процесса его термохимического преобразования (конверсии) в новый вид топлива. Для получения такого топлива (например синтеза газа) могут использоваться как сухая и паровая конверсия исходного углеводородного соединения, так и парциальное окисление. Для различных сырьевых продуктов суммарные энергетические затраты на преобразование в водородосодержащий вид топлива могут быть установлены по нескольким частным параметрам этого процесса: • температуре реакции конверсии; • содержанию водорода в продуктах конверсии; • содержанию горючих компонентов в продуктах конверсии; • энергетическим затратам на нагрев реагентов; • энергетическим затратам на организацию конверсионного процесса. Сравнительная оценка по перечисленным параметрам для природного газа (метана), спиртов и нефтяного топлива (бензина) приведена в табл. 2. Таблица 2 Энергетические параметры конверсии для некоторых видов сырьевого продукта Вид сырьевого продукта Метан Бензин Метанол Этанол Способ организации процесса преобразования сырьевого продукта в водородосодержащий газ Паровая конверсия Парциальное окисление Паровая конверсия Парциальное окисление Паровая конверсия Паровая конверсия Температура реакции, °С 700 1200 800 1500 300 700 Выход Н2, % (об.) 55-75 45 60-70 35 60-65 60-65 Суммарное содержание горючих газов, % (об.) 86 65 90 60 65 66 Энергозатраты на реакцию, кДж/моль Н2 76 - 17 90 - 94 56 60 Энергозатраты на нагрев компонентов, кДж/моль Н2 208 313 209 435 236 230 Суммарные энергозатраты, кДж/моль Н2 284 296 299 341 292 290 Из табл. 2 видно, что для получения нового вида топлива (синтеза газа) энергетически выгодно использовать конверсию исходного углеводородного соединения. Наибольшие энергетические затраты связаны с процессом высокотемпературного парциального окисления, что создает очевидные сложности при реализации этого процесса в условиях ТТС. С точки зрения суммарных энергетических затрат на выработку водородосодержащего топлива выгоднее всего использовать парогазовую конверсию природного газа (метана). Однако она протекает при относительно высокой температуре (700оС), что вызывает необходимость дополнительной разработки высокотемпературного источника теплоты. Худший вариант с этой точки зрения - использование паровой конверсии нефтяного топлива (бензина). Предпочтение следует отдавать паровой конверсии метанола, проходящей при относительно невысокой температуре, что позволяет снизить технологические затраты на разработку конверсионных систем, использовать менее дорогие конструкционные материалы. Кроме того, промышленная технология синтеза метанола практически исключает присутствие в нем серосодержащих соединений, отравляющих катализаторы. Возможность применения современных высокоэффективных катализаторов обеспечивает условия для организации конверсии метанола с использованием низкопотенциальной отходящей энергии - теплоты отработавших газов (ОГ) двигателя - без внешнего источника теплоты. Энергосберегающий эффект от утилизации бесплатной энергии ОГ позволяет существенно снизить суммарные энегозатраты на организацию конверсионного процесса, повысить эффективность силовой установки ТТС в целом [3]. Анализ массогабаритных характеристик систем термохимической переработки сырьевого продукта Важный фактор при обосновании выбора сырьевого продукта - массогабаритные характеристики систем его переработки с учетом возможности их компактного размещения на ТТС. В табл. 3 представлено сравнение массогабаритных характеристик некоторых систем конверсии, предназначенных для использования в энергетических установках ТТС с полезной мощностью 30 кВт. Таблица 3 Массогабаритные характеристики систем конверсии Тип конверсионной системы Масса, кг Объем, л Система конверсии бензина 74 70 Система конверсии метанола 77 90 Система конверсии природного газа: криогенная / газобаллонная 145/165 130/190 По предварительной оценке системы конверсии с использованием жидких носителей энергии имеют наиболее приемлемые массогабаритные характеристики благодаря более простым и компактным конструкциям конверторов и емкостей для их хранения. Системы конверсии газа даже в случае криогенного хранения существенно проигрывают по массогабаритным характеристикам системам с жидкими носителями (см. табл. 3). Даже находясь под давлением 20 МПа сжатый природный газ занимает в 2 раза больший объем, чем такое же (по энергетическому эквиваленту) количество жидкого энергоносителя. Для хранения компримированного газа на борту ТТС требуются большие, тяжелые баллоны, которые тем не менее обеспечивают значительно меньший запас хода. Получение моторных топлив из твердой биомассы В сфере энергообеспечения отечественного комплекса ТТС особое место следует отвести альтернативным моторным топливам, полученным из растительных продуктов (биомассы) - неисчерпаемого, ежегодно возобновляемого сырьевого источника. Наиболее экономически оправдано использование этих видов топлива местного производства на ТТС с.-х. назначения, эксплуатируемых в отдаленных регионах страны. В настоящее время разработаны хорошо отлаженные и эффективные технологии производства топлива из твердой биомассы, основанные на ее пиролизе или газификации. Значительный опыт по разработке технологий газификации биомассы накоплен в отечественной исследовательской практике. Газообразные продукты, синтезированные из твердой биомассы, могут эффективно использоваться в современных двигателях ТТС как в качестве основного топлива, так и в качестве частичного заменителя жидкого нефтяного топлива (двигатели, работающие на двухкомпонентном топливе, например газодизели). Заключение Обобщение результатов проведенного в статье сравнительного анализа технологий по преобразованию потенциальных альтернативных источников энергии в моторное топливо позволяет сделать следующее заключение. В общем виде выбор приемлемого альтернативного носителя энергии в качестве сырьевого продукта для производства моторного топлива - компромисс, учитывающий его энергетическую ценность, температурные условия конверсии, спектр образующихся при конверсии газов, стоимость, наличие сырьевой базы, возможность адаптации к условиям ТТС и др. Массовое применение на ТТС технологий по переработке традиционного нефтяного топлива в водородосодержащие газообразные смеси весьма проблематично по целому ряду причин. Накопленный исследовательский опыт в области разработок бортовых систем конверсии (реакторов) традиционных моторных топлив показывает, что уровень их технической и технологической сложности несоизмерим с эколого-экономическим эффектом от применения в энергоустановке ТТС. Высокий температурный уровень процесса переработки нефтяных топлив обусловливает дополнительные затраты энергии на организацию конверсионного процесса (например сжигание части топлива на поддержание необходимого теплового режима работы в термохимических реакторах). Присутствие соединений серы в нефтяном топливе исключает возможность использования высокоэффективных катализаторов. Кроме того, высокое относительное содержание инертных (негорючих) компонентов в составе целевых продуктов конверсии создает дополнительные сложности при их сжигании в двигателе. Основное энергетически оправданное направление исследований - поиск источников энергии, позволяющих осуществлять принципиальную возможность их химического преобразования в моторное топливо за счет бесплатной тепловой энергии ОГ. При этом предпочтительны те источники, которые обеспечивают наибольший выход главного целевого компонента конверсии - водорода. Его содержание в составе синтезированного топлива в значительной степени определяет энергетические и экологические показатели двигателя при сгорании топлива. На сегодняшний день метанол - один из наиболее энергетически выгодных источников недорогого и эффективного водородосодержащего топлива для двигателей ТТС. Как химическое соединение, имеющее низкий уровень температуры диссоциации, метанол обладает уникальной способностью к конвертированию с утилизацией тепловой энергии ОГ двигателя. Продукты химического преобразования (конверсии) метанола практически не содержат инертных компонентов, обладают уникальными экологическими и кинетическими характеристиками сгорания, способствующими совершенствованию показателей работы двигателя. Следует заметить, что в будущем по мере развития технологий станет целесообразным использование и других соединений, которые по своим характеристикам смогут соответствовать энергетически выгодным условиям в технологическом цикле реализации бортовой конверсии. В среде перспективного энергообеспечения отечественного комплекса мобильной с.-х. техники представляется экономически оправданным внедрять технологии производства моторного топлива из твердой непищевой биомассы (древесины и других растительных продуктов), в первую очередь в регионах, отдаленных от мест добычи и переработки нефти и имеющих неограниченные возобновляемые запасы данного сырьевого продукта. Это позволит создать устойчивую топливно-энергетическую базу, практически не зависящую от привозного нефтяного топлива.