К вопросу о перспективах новой топливной базы для традиционных двигателей внутреннего сгорания

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Экономические науки


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 436. 001
К ВОПРОСУ О ПЕРСПЕКТИВАХ СОЗДАНИЯ НОВОЙ ТОПЛИВНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ТРАДИЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
С.В. Гусаков
Кафедра комбинированных ДВС Российский университет дружбы народов 117 198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье рассматривается перспектива создания новой топливной базы для двигателей внутреннего сгорания в первой четверти XXI века. Масштабность задачи предопределяет широту взглядов на пути ее решения, поэтому автор считает целесообразным проведение дискуссии на эту тему.
Известно, что в качестве топлива для первых двигателей внутреннего сгорания использовалось газообразное топливо — так называемый светильный, или силовой газ, и предполагалось к использованию твердое топливо — угольная пыль. Дальнейшее развитие ДВС, однако, привело к тому, что подавляющее большинство транспортных поршневых двигателей стали потребителями жидкого моторного топлива, получаемого из природного ископаемого сырья — нефти. Интенсивный рост суммарной эффективной мощности силовых транспортных установок на основе ДВС явился одним из мощнейших стимулов к развитию нефтедобывающей отрасли и нефтеперерабатывающей промышленности. Таким образом, с одной стороны, подавляющее большинство ДВС создавались работающими именно на жидком углеводородном моторном топливе, и при этом условии совершенствовались рабочие процессы, агрегаты питания и другие системы двигателей, в результате чего достигнуты достаточно высокие удельные энергетические, экономические и экологические показатели ДВС. С другой стороны, сложилась глобальная инфраструктура, ориентированная на эту категорию потребителей жидкого топлива (бензин и дизельное топливо составляют до 54% фракционного состава нефти).
Основной причиной того, что жидкое топливо стало базовым энергоносителем мобильных силовых установок, стала его высокая удельная энергоемкость и удобство хранения на транспортных средствах. Известные аккумулирующие энергию системы значительно проигрывают по энергоемкости жидкому топливу. Так, маховик массой 100 кг среднего диаметра Оср= 1 м, вращающийся с частотой я = 25 000 мин& quot-1, обладает удельной энергией
1 Г =
{ Г) ^
иср п ¦ п
~Г'-~30
, т. е. около 1,7−106 Дж/кг. Современный малогабаритный литий-ионный
аккумулятор [/" = 3,7 В при массе около /иа = 21 г имеет емкость около? а = 700 мА-ч, что
— 3600-Е *
соответствует удельной емкости Жа = 1]а------------ = 0,44−10 Дж/кг. Современные оксид-
7000 • та
ные конденсаторы, имея удельную емкость порядка Су = 0,1 Ф/кг при рабочем напряжении ис = 350 В, могут запасать в электростатическом поле 1? с = 0,5 ¦ Су • II2С = 0,06−106 Дж энергии на 1 кг массы. Количество природного газа при пересчете на метан удельной массой Ро = 0,717 кг/м3 при нормальных условиях (р0 = 0,1 МПа) при его хранении на транспортном средстве в сжатом виде при давлении ръ = 19,6 МПа в баллоне объемом Уъ ~ 0,05 м³ соста-
Рь_
1 Ро
вит тг =р0-Уь =6,99 кг. Приняв низшую теплоту сгорания газа по метану
Яи — 48,7−10е Дж/кг и массу баллона из легированной стали тъ = 62,5 кг, имеем приведенное, с учетом массы баллонов, теплосодержание сжатого природного газа
171
~Нц--------- около 4,9−106 Дж/кг. Расчеты по водороду дают примерно в 8 раз мень-
ть + тг
шие значения удельной энергоемкости при хранении его в сжатом виде, в связи с низкой удельной массой Н2. При использовании водородоаккумулирующих систем происходит связывание водорода металлами и интерметаллидами с образованием твердых гидридов,
например, интерметаллидом LaNi5, образующим гидрид LaNi5H6. Это позволяет поглощать до 0,5 м³ водорода на 1 кг носителя. При удельной массе водорода рн — 0,0899 кг/м3 и теплоте сгорания ЯЦ (Н) = 143−106 Дж/кг энергоемкость гидридных аккумуляторов составляет примерно 6,5−10б Дж/кг.
В то же время низшая теплота сгорания жидкого углеводородного топлива в зависимости от состава составляет порядка (42… 45)-106 Дж/кг.
Жидкое состояние топлива в эксплуатационных условиях снимает большинство технических проблем, связанных с применением сжатых горючих газов, сжиженного нефтяного газа или криогенных установок для хранения водорода.
По мере ужесточения экологических требований к качеству топлив и одновременного снижения качества добываемой нефти, а также постепенного исчерпания & quot-удобных"- для разработки месторождений, традиционная нефтепереработка начинает терять свою привлекательность. В то же время альтернативные, исключительно эффективные синтетические & quot-чистые"- топлива пока являются дорогими. Причина — низкая энергетическая эффективность и высокие капитальные затраты.
Современная схема производства жидких синтетических моторных и энергетических топлив включает, как известно, две стадии:
— на первой стадии природное углеводородное сырье (природный газ, нефть, и т. д.) превращается в промежуточный продукт — синтез-газ — смесь водорода и оксида углерода-
— на второй стадии полученный синтез-газ, в свою очередь, превращается в соответствующее синтетическое топливо — синтетический бензин, дизельное топливо, метанол, диме-тиловый эфир, водород, и т. д.
Сегодня именно первая стадия — получение синтез-газа является ключевой в экономике производства синтетических топлив. Это — следствие необходимости использования высоких температур (до 1500°С) и давлений (до 10 МПа). Нагрев технологических потоков до таких температур требует колоссальных затрат энергии, получаемой обычно за счет сжигания части сырья. Возврат значительной части затраченной энергии в наиболее приемлемой форме — химической энергии получаемого топлива — технически невозможен. Это — одна из главных причин низкой энергетической эффективности производства — от 40% (синтетические топлива из угля) до 60−64% (метанол из природного газа), что на практике означает потерю 36−60% энергетического потенциала сырья с соответствующим ростом затрат на него. При этом установки получения синтез-газа представляют собой сложнейшие инженерные сооружения, на которые приходится до 70% капитальных и до 40% общих затрат на производство синтетических топлив. Исключительные энерго- и капиталоемкость процессов получения синтез-газа до недавнего времени не позволяли синтетическим топливам всерьез конкурировать с традиционными нефтяными топливами.
Однако в последние годы целый ряд крупнейших нефтегазовых компаний — Shell, Exxon, Texaco и т. д. — заявили о создании коммерческих технологий производства синтетических топлив, способных конкурировать с традиционной нефтепереработкой. Известно о намерении реализовать такие проекты общей мощностью около 20 млн. тонн в год, главным образом на основе природного или попутного газа.
В нашей стране предложена высокоэффективная технология синтеза диметилового эфира из синтез-газа в одну стадию (патент РФ № 2 174 869 от 30. 06. 2000) в присутствии катализатора, позволяющего вести процесс с высокой производительностью и селективностью при давлении 5−10 МПа и температуре до 300 °C. Одностадийный синтез диметил эфира из синтез-газа включает следующие три реакции:
С02+ЗН2=СН30Н+Н20 (50,1 кДж/моль) —
2СН30Н=СН30СН3+Н20 (23,4 кДж/моль) —
С0+Н20=С02+ЗН2 (40,9 кДж/моль).
Это сочетание реакций оказывается выгодным с точки зрения термодинамики. Первая, наиболее термодинамически невыгодная, реакция производит метанол и воду. Оба эти продукта превращаются во второй и третьей реакциях, так что их концентрация в реакционной
зоне остается относительно низкой. Таким образом, процесс, оперирующий исходной смесью с высокой концентрацией СО, будет хорошо сбалансированным с точки зрения термодинамики.
Технология процесса по ряду позиций близка к технологии производства метанола, хорошо освоенной промышленностью, однако высокая интенсивность процесса и его повышенная экзотермичность требуют использования реакционных устройств с интенсивным теплоотводом. По предварительным оценкам, удельные капитальные затраты и издержки производства диметилового эфира в рамках разработанной технологии на 20−30% ниже, чем в лучшем из известных проектов (фирмы Marubeni — NKK, Япония), а стоимость проекта для установок малой и средней мощности (30−400 тыс. т/год) при наличии инфраструктуры (в долл. США на 1 т годовой продукции) — 150−250.
Подобные результаты явились следствием как многолетнего, эволюционного совершенствования указанных технологий, так и прогрессирующего удорожания традиционной нефтепереработки. Однако разработанные технологии находятся на грани рентабельности -энергетические и капитальные затраты еще очень велики и, соответственно, экономика производства слишком чувствительна к конъюнктуре цен на нефть и газ.
Для решения энергетического вопроса в глобальной постановке в настоящее время разработан второй по масштабам после Международной космической станции научный проект следующего десятилетия. В его рамках планируется создать Международный термоядерный реактор (ИТЭР) для производства электроэнергии. По мнению лауреата Нобелевской премии в области физики академика Ж. И. Алферова строительство термоядерного реактора можно завершить за 20 лет. Энергетическая установка промышленного образца будет иметь мощность порядка 30 миллионов киловатт, что соответствует мощности 20−30 современных атомных электростанций. Сторонники этой концепции заявляют, что такая энергия будет дешевой и экологически безопасной. Оценки показывают, что стоимость электроэнергии будет на уровне 0,01 долл. США за киловатт/час. Запасы топлива — изотопов водорода дейтерия и трития, которые добываются из воды и широко распространенного лития, для таких электростанций практически неисчерпаемы. Килограмм этих изотопов может выделить столько же энергии, сколько 107 кг условного органического топлива.
Существует мнение, что использование энергии термоядерного синтеза для электро- и термохимических методов получения Н2 в текущем столетии позволит заменить водородом традиционные виды топлива и источники энергии.
На транспорте в качестве преобразователей химической энергии водорода в механическую энергию в настоящее время рассматриваются как традиционные ДВС, преимуществом которых остается наивысший КПД преобразования при высоких удельных показателях (например, концептуальный транспортный дизель AVL Leader 4ЧН 8,5/9 с удельная мощностью 2,01 кВт/кг и максимальным эффективным КПД 42,2%), так и топливные элементы, конструкция и технология производства которых постоянно совершенствуются, что ведет к повышению их удельных характеристик (до 1 кВт на литр рабочего объема) и стоимости (менее 200 долл. США на 1 кВт). Однако до настоящего времени не выработано приемлемого во всех отношениях технического решения по хранению Н2 на борту транспортного средства.
Поэтому кажется целесообразным в качестве силовой установки на наземных транспортных средствах будущего сохранить поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий преимущественно на жидком топливе, получаемым искусственным путем. При этом более чем столетний опыт развития и совершенствования ДВС не будет потерян, сохранятся созданные мощности по производству двигателей и их агрегатов, топливозаправочная инфраструктура не потребует существенных изменений, а потенциальные ресурсы будут направлены на создание высокоэффективных установок по производству жидкого синтетического топлива.
Какие же проблемы стоят в случае разворачивания масштабного производства жидкого синтетического топлива при овладении управляемым термоядерным синтезом? С водородом достаточно ясно, так как технологии его получения, например гидролизом воды, не представляют существенных технических проблем. Для получения диоксида углерода
(кроме прямой переработки органической массы) в настоящее время используют различное вторичное сырьё: дымовые газы, отходящие газы при производстве аммиака и мыла, газы брожения и др. Однако эти источники не могут составить основу для масштабного производства жидкого синтетического топлива.
Растения поглощают углекислый газ из воздуха, который под действием света и катализаторов — энзимов, используя один из трех механизмов: цикла Кельвина (С3), цикла Хетча-Слека (С4) или комбинированного цикла — САМ. По какому механизму конкретно, зависит от таких факторов, как концентрация углекислого газа в атмосфере, окружающая температура, длина светового дня. Масштабные процессы, происходящие в природе, показывают, что источником для углеродной составляющей синтетического топлива может и должен служить атмосферный воздух, в котором содержится по объему около 0,03% С02, менее трети по массе которого составляет элементарный углерод. Конечно, прямой & quot-механический"- процесс получения диоксида углерода, допустим, путем компримирования воздуха, его сжижения и сепарации — процесс очень энергоемкий. Видимо, его эффективность можно в десятки раз повысить, применив обогащение воздуха С02 методами адсорбции-десорбции, применением мембранных технологий, биотехнологий и др. Важно то, что в этом случае можно говорить о жидком синтетическом моторном топливе, как возобновляемом энергоносителе, так как продукты его сжигания не нарушают баланс диоксида углерода в атмосфере. Этот аспект имеет все большее значение, приобретая уровень обязательных к исполнению межправительственных соглашений. Видимо, в ближайшее время и Россия, и США подпишут Киотский протокол, наряду с ратифицировавшими его более чем ста странами мира, регламентирующий выбросы парниковых газов (в том числе и диоксида углерода), оказывающих влияние на изменение климата — прямую угрозу экологическому балансу планеты.
Создание технологий получения жидкого синтетического топлива для ДВС, не использующих ископаемого органического сырья, представляет основу для экологически безопасной топливной базы транспортной энергетики будущего.
В статье использовались данные из ряда изданий периодической научно-технической печати и электронных средств информации.
ТО THE QUESTION ON PROSPECTS OF CREATION OF NEW FUEL BASE FOR TRADITIONAL OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES
S.V. Gusakov
Department of Internal Combustion Engines Russian Peoples' Friendship University Miklukho-Maklaya st., 6, 117 198 Moscow, Russia
In article the prospect of creation of new fuel base for engines of internal combustion in the first quarter of XXI century is considered. Scale of a problem predetermines a width of views for a way of its decision, and the author counts expedient realization of discussion on this theme.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой