Сжатый природный газ

Сжатые горючие газы как моторные топлива на автомобильном транспорте стали применяться в нашей стране ещё в 30-е годы прошлого века. Сначала использовали сжатые коксовый и светильный газы, на которых эксплуатировались автомобили ГАЗ-4А и ЗИС-30 с запасом хода на одной заправке до 120 км [5].

После войны открытие и освоение крупных месторождений природного газа, а также строительство ряда магистральных трубопроводов позволили расширить использование газообразного топлива на автомобильном транспорте. Но в дальнейшем в связи с резким ростом добычи нефти и строительства крупных нефтеперерабатывающих заводов использование сжатого природного газа сократилось и многие газонаполнительные станции были законсервированы.

На заводах ГАЗ, ЗИЛ, ЛАЗ разработаны конструкции газобаллонных автомобилей ЗИЛ-138А, ЗИЛ-53-27, ЛАЗ-695Н и др. Запас сжатого газа находится на этих автомобилях в баллонах из углеродистой стали массой 93 кг, вместимостью 50 л, под давлением 20 МПа. В полностью заполненном баллоне содержится около 10 м³ газа, что эквивалентно примерно 10 л бензина. Характеристики ГБА на СПГ приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Характеристика основных моделей газобалонных автомобилей,

работающих на сжатом природном газе

Были разработаны опытные образцы и легковых автомобилей, например на базе «Москвича». Баллон изготавливался из низколегированной стали, общей массой 63 кг при толщине стенок 6 мм [7].

Очевидно, что целесообразно изготовление баллонов из лёгких и прочных полимерных материалов.

По сравнению с СНГ сжатый природный газ при использовании в ГБА имеет преимущества:

– разведанных и освоенных запасов природного газа гораздо больше. Уже сейчас можно перевести на СПГ весь автомобильный парк страны [7];

– отработавшие газы содержат значительно меньше вредных веществ;

– сжатый газ при налаженном производстве дешевле сжиженного;

– СПГ легче воздуха, поэтому при утечках не образуются взрывоопасные конструкции, как у СНГ.

Вместе с тем сжатый природный газ имеет и ряд недостатков, сдержи-вающих его широкое применение:

– хранить СПГ приходится в сжатом виде, так как в сжиженное состояние он переходит трудно – при температуре минус 82 °С и давлении не ниже 4,5 МПа;

– большая масса баллонов значительно снижает грузоподъёмность автомобиля;

– небольшой запас хода (табл. 4.3);

– сложность заправочного оборудования газонаполнительных станций.

Природные месторождения содержат 82–98% метана, до 6% этана и 4–20% пропана.

Природный сжатый газ получают из горючего природного газа, транспортируемого по магистральным газопроводам или городским газовым сетям, удалением примесей, осушкой и последующем компрессированием по технологии, не допускающей изменения компонентного состава. Предназначенный для заправки ГБА сжатый природный газ должен отвечать требованиям ГОСТ 27577-87 «Газ природный топливный сжатый для газобаллонных автомобилей». Физико-химические показатели СПГ для ГБА приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Физико-химические показатели сжатого природного газа

по ГОСТ 27577-87

Генераторный газ

В последние годы в ряде стран возобновился интерес к газогенераторным автомобилям, что позволяет перевести генераторный газ из разряда альтернативных топлив в обычное газообразное топливо. В этих автомобилях двигатель работает на продуктах газификации твёрдого топлива, получаемых в специальном устройстве - газогенераторе.

Генераторный газ получают при переработке твёрдого топлива – древесных чурок и отходов, древесного и каменного угля, торфяных и соломенных брикетов, кокса и т. д. Газ образуется в результате термохимиче-ского взаимодействия кислорода с углеродом твёрдого топлива в процессе газификации. Для этого процесса очень важны такие показатели твёрдого топлива, как битуминозность, зольность, реакционная способность, влажность, механическая прочность, корродирующее действие, объёмная масса, спекаемость и т. д.

Битуминозность характеризует степень выхода из топлива летучих веществ при его газификации. Этим качеством в наибольшей степени обладают древесина, торф, бурый уголь. Древесный уголь, кокс, антрацит содержат мало летучих веществ и как малобитуминозное топливо не полностью отвечают требованиям газификации.

Реакционная способность топлива обуславливает быстроту разжигания генератора и стабильность процесса газификации на переменных режимах работы.

Процесс газификации осуществляется в основной части установки – газогенераторе. Там происходит сгорание части углерода твёрдого топлива. За счёт выделяющегося тепла осуществляется процесс восстановления двуокиси углерода до окиси углерода. В результате этого процесса образуется также водород, метан и другие газы.

Из газогенераторной установки газы выходят с высокой температурой (более 100 °С), увлекая за собой значительное количество примесей – золы, угольной пыли, летучих смол. Высокая температура газа неизбежно ведёт к уменьшению наполнения цилиндров двигателя и к снижению его мощности, а наличие твёрдых примесей резко увеличивает износ трущихся поверхностей. Поэтому каждая газогенераторная установка включает в себя агрегаты для очистки и охлаждения газа.

Газогенераторы бывают с прямым, обращённым и горизонтальными процессами (рис. 4.1). Условно всю внутреннюю полость газогенератора можно разделить на 4 зоны:

– горения;

– газификации (восстановления);

– сухой перегонки;

– подсушки топлива.

Рис. 4.1. Газогенераторы с различными процессами газификации топлива:

а – с прямым; б – с обращённым; в – с горизонтальным.

I – зона горения; II – зона восстановления; III – зона сухой перегонки;

IV – зона подсушки.

В зоне горения I происходят экзотермические реакции с выделением углекислого газа СО₂ и воды. Кроме того, частично протекает реакция образования окиси углерода СО с последующим окислением её в СО₂. Под действием выделяемой теплоты температура в зоне горения поднимается до 1200…1500 °С, в результате чего разогревается верхний слой топлива, относящийся уже к зоне II.

В зоне газификации II протекают эндотермические реакции с образованием горючих компонентов – газа СО и частично метана СН₄. Температура во второй зоне понижается до 900…1100 °С. Если температура становится ниже 900 °С, то процесс газификации топлива нарушается.

В зоне сухой перегонки III горячие газообразные компоненты воздействуют на твёрдое топливо. Поскольку кислорода в зоне реакции нет, протекает процесс сухой перегонки с выделением из топлива паров воды, газов и смолистых веществ, которые подмешиваются к поступающему из II зоны газу. Температура в этой зоне снижается до 300…900 °С.

В зоне подсушки IV из топлива выделяются только пары воды, которые также смешиваются с генераторным газом. Температура в зоне подсушки снижается с 300 до 105 °С.

Выше были перечислены недостатки газогенератора с прямым процессом, в частности загрязнение получаемого газа механическими и другими примесями. К этому необходимо добавить ещё одно неприятное обстоятельство: при загрузке газогенератора прекращается поступление газогенераторного газа.

Эти недостатки устранены в газогенераторах с обращённым и горизонтальным процессами. В них генераторный газ отводится снизу генератора после зоны II, а продукты зон III и IV, проходя зоны горения и восстановления, дополнительно газифицируются, и поэтому качество получаемого газа становится выше.

Если к газогенератору для процесса горения подводят только воздух, получается воздушный газ. При подводе поочерёдно воздуха и паров воды или совместной паровоздушной смеси получается смешанный газ. При пропускании через раскалённый уголь водяного пара получается водяной газ. Эти газы различаются содержанием горючих компонентов СО и Н₂.

В результате газификации твёрдого топлива получаются сырой генераторный газ, содержащий СО, Н_2, СН₄, СО₂, Н₂О и смолистые вещества. Перед подачей в цилиндры двигателя такой газ подлежит обязательной очистке.

В зависимости от вида топлива получается несколько различный по составу и теплоте сгорания генераторный газ. Состав этих газов и теплота сгорания показаны в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Состав генераторного газа

Следует отметить, что генераторный газ, применяемый в качестве топлива, не обеспечивает номинальной мощности двигателя даже при повышении степени сжатия. Например, снаряжённая масса газогенераторного автомобиля ЗИС-21 больше по сравнению с базовой моделью ЗИС-5 на 600 кг. При этом мощность его двигателя снизилась с 72 л. с. при степени сжатия 4,6 до 48 л. с., даже при повышении степени сжатия до 7,0. Грузоподъемность понизилась с 3000 до 2500 кг, а максимальная скорость с полной нагрузкой – с 60 до 50 км/ч. Расход топлива составлял примерно 90 кг древесных чурок на 100 км пути [7].

При всех недостатках газогенераторных автомобилей – сложность эксплуатации, снижение мощности двигателя и грузоподъемности – они обладали одним бесспорным преимуществом – возможностью работы на легкодоступном и дешёвом топливе.

Сегодня возрождается интерес к газогенераторным автомобилям, позволяющим эффективно утилизировать отходы деревообрабатывающей промышленности. Например, специалисты французской фирмы «Рено» создали газогенераторный грузовик, использующий древесное топливо. Для активизации сгорания к древесным чуркам добавляется стружка, пропитанная отработанным моторным маслом. Кроме того, вместе с газом в цилиндры двигателя подают небольшие порции дизельного топлива. В результате автомобиль с двигателем в 300 л. с. и грузоподъемностью 40 т расходует на 100 км пути 100 кг древесины и 9 литров жидкого топлива вместо прежних 45 л.

Таким образом, газообразное топливо для современных автомобилей является доступным, дешёвым и более экологичным по сравнению с бензинами и дизельными топливами. Весьма перспективна возможность хранения запасов природного газа на автомобиле в сжиженном состоянии. В настоящее время этот вопрос технически сложен.

Применение газогенераторных установок позволит получать дешёвое топливо в неограниченном количестве. Оптимизация технологического процесса получения генераторного газа не представляется технически особенно сложной.

Глава 5