Analysis technology conversion of renewable energy sources in the engine fuel

Full Text

Введение Увеличение доли возобновляемых источников энергии в качестве моторного топлива автотракторной техники способно существенно повлиять на экологическую и энергетическую безопасность при эксплуатации техники. Цель исследования Анализ технологий преобразования возобновляемых источников энергии для использования в качестве моторного топлива. Материалы и методы Для обеспечения необходимых свойств альтернативных видов энергоносителей как моторное топливо их необходимо предварительно подвергнуть технологическому циклу преобразования [3]. К сырьевой энергетической среде в первую очередь относят углеводородные соединения, процесс термохимического преобразования которых сопровождается выходом главного целевого компонента - водорода. Присутствие водородного компонента обуславливает уникальные кинетические и экологические показатели его сгорания, высокую эффективность рабочего цикла двигателя. Низшие спирты (этанол, метанол) могут быть получены из биомассы. В России имеются отлаженные технологии массового производства этих спиртов. Токсичность паров метанола в 3 раза ниже, чем у бензина и в 3 раза выше, чем у дизельного топлива [4]. Этанол по своим физико-химическим свойствам во многом близок к метанолу, и технологии его переработки в новый вид моторного топлива достаточно разработаны. Эфиры представляют собой органические кислородо-содержащие соединения, являются изомерами соответствующих спиртов, т.е. веществами, одинаковыми по составу и молекулярной массе, но отличающимися от соответствующих спиртов по строению или расположению атомов в пространстве и вследствие этого - по физическим и химическим свойствам [1]. Основной способ получения эфиров - нагревание спиртов в присутствии серной кислоты. В зависимости от структуры различают простые и сложные эфиры. К простым эфирам относятся эфиры со структурой R-O-R, где R - одинаковые или различные радикалы типа СН3, С2Н5, С6Н5 и др., между которыми соединительным звеном является атом кислорода О. Сложные эфиры являются производными органических или неорганических кислот и спиртов, содержатся главным образом в эфирных маслах и составляют основную часть растительных и животных масел. В настоящее время в качестве одного из наиболее перспективных топлив для дизелей рассматривается диметиловый эфир СН3-О-СН3 (или С2Н6О), а также диэтиловый эфир С2Н5-О-С2Н5 (или С4Н10О). Диметиловый эфир может быть получен из биомассы или природного газа СН4. У эфиров более высокие цетановые числа и низкие температуры самовоспламенения (у диметилового эфира - более 55 и 235 °С соответственно) по сравнению со спиртами, сажи практически нет. В связи с этим при переводе дизелей на эфиры не требуется специальных мероприятий по принудительному воспламенению горючей смеси. Из-за большой доли кислорода (35 %) в молекуле диметалового эфира он имеет относительно низкую теплоту сгорания (Нu = 28800 кДж/кг), низкое значение максимальной температуры цикла и, как следствие, - низкую концентрацию оксидов азота и сажи в продуктах сгорания. С другой стороны, снижение тепловыделения в цилиндре в сравнении с традиционными жидкими топливами приводит к снижению мощности дизеля, что компенсируется увеличением цикловой подачи топлива. Если рассматривать сырьевое происхождение и затраты на производство диметилового эфира, то он является наиболее перспективным моторным топливом, и его ожидаемое потребление в двигателях составит не более 5-10 % - как доля спиртов. Из растительных масел (рапсового, подсолнечного, соевого, оливкового, арахисового, пальмового, хлопкового, касторового и др.) наиболее перспективным в качестве альтернативного топлива для двигателей считается рапсовое масло [6]. По своим свойствам (плотность 900 кг/м3, цетановое число 36, температура самовоспламенения 318 °С, теплота сгорания 37300 кДж/кг) оно хорошо подходит для дизелей. Рапсовое масло содержит 78 % С, 12 % О2 и 10 % Н2 (в массовых долях). Повышенное содержание кислорода снижает максимальную температуру цикла дизельного двигателя, концентрацию оксидов азота и уменьшает количество неполных продуктов сгорания. Положительным свойством растительных масел является способность смешиваться в любых пропорциях с бензином, керосином и дизельным топливом, что позволяет получить биотопливо с заданными физико-химическими свойствами. Использование растительных масел в чистом виде в качестве альтернативного топлива для дизелей сдерживается повышенным нагарообразованием в камере сгорания и отложением кокса на распылителях форсунки из-за присутствия в них смолистых веществ. В работах А.Б. Горелика (ТОГУ), В.А. Маркова (МГТУ), С.Н. Девянина (РГАУ-МСХА), С.А. Нагорного (ВНИИТиН) и других предлагаются различные способы приготовления топливных эмульсий. В ТОГУ предлагают приготовление водотопливных эмульсий путем многократного впрыска дизельного топлива и воды через форсунку. Другие авторы предлагают для получения эмульсий модифицированный смеситель-активатор. Результаты и обсуждение Нами предлагается получение водно-биотопливной эмульсии с помощью ультразвуковой установки, которая обеспечивает мелкодисперсную эмульсию. Данная установка представлена на рис. 1. Рис. 1. Ультразвуковая установка Ultrasonic Disintegrator type UD-11 automatic В статье [3] на основании экспериментальных испытаний проведена оценка возможности снижения выбросов токсичных компонентов с отработанными газами при работе дизельного двигателя на водно-биотопливной эмульсии (ВБТЭ до 15 %) и дизельном топливе (см. табл.). Технология получения ВБТЭ основана на многофакторном энергетическом воздействии в импульсной форме, которое интенсифицирует процесс смешивания топлив, разрушает связи между отдельными частями молекул и влияет на изменение структурной вязкости, в результате чего происходит улучшение физико-химических параметров топлива, его эксплуатационных и экологических свойств. Из работ [3, 4] выявлено, что при применении на дизеле водно-биотопливной эмульсии удельный массовый выброс оксидов азота уменьшается на 26,6 %, а эффективный КПД дизельного двигателя повышает на 5,9 %. Кроме этого использование водно-биотопливной эмульсии позволяет за счет вскипания воды в камере сгорания и образования пара, разрывающего капли эмульсии, увеличить дисперсность топлива. В результате улучшается процесс перемешивания топлива с воздухом, что обеспечивает более полное сгорание. Снижение температуры сгорания из-за испарения и перегрева воды приводит к замедлению реакций образования оксидов азота, что улучшает экологические показатели. В качестве синтетического топлива можно использовать механическую смесь горючих и инертных газов, например водорода, метана и азота или водорода и азота. Такие синтез-газы, позволяющие «смесевое управление» рабочим процессом, могут быть достаточно дешевыми и перспективными моторными топливами. Для выявления потенциальных возможностей эффективной реализации предлагаемого метода [5], прогнозируемых моделированием, проведена серия исследований по опытной апробации ряда вариантов его реального применения на дизеле. Во всех исследованиях использованы водородосодержащие продукты конверсии метанола, генерируемые в бортовом термокаталитическом реакторе с использованием тепловой энергии, отводимой с отработанных газов дизеля [1]. Примерный компонентный состав: 64 % Н2, 34 % СО при незначительном содержании в них СО2 и С2Н4 (2 %). Заключение Сравнительный анализ технологий по преобразованию альтернативных источников энергии в моторное топливо - это компромисс, учитывающий его энергетическую ценность, экологические показатели, стоимость, сырьевую базу и возможность адаптации к условиям эксплуатации альтернативных двигателей. Применение водно-биотопливной эмульсии по сравнению с использованием дизельного топлива показывает заметное снижение концентрации оксидов азота, монооксидов углерода и дымности в отработанных газах. Таблица Показатели дизельного двигателя Д-٢٤٠, работающего на водно-биотопливной эмульсии и дизельном топливе Показатели Диз. топливо Водно-биотопливная эмульсия Крутящий момент Me, Н·м: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 254 322 215 296 Часовой расход топлива GT, кг/ч: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 15, 5 11,23 15,7 10,75 Дымность отработанных газов Кх, %: - на режиме максимальной мощности - на режиме максимального крутящего момента 15 26 8,2 16

About the authors

T. V Bodyakina

Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Ezhevsky

Irkutsk, Russia

P. A Boloev

Buryatskiy gosudarstvennyy universitet

Email: Bodt-24@rambler.ru
DSc in Engineering Ulan-Ude, Russia

T. P Gergenova

Buryatskiy gosudarstvennyy universitet

Email: Bodt-24@rambler.ru
Ulan-Ude, Russia

References

Supplementary files