§ 2.5. Альтернативные топлива

В связи с большим значением альтернативных топлив для транспортной энергетики будущего целесообразно более подробное рассмотрение некоторых видов этих топлив и методов их получения.

По производственным и эксплуатационным показателям альтернативные топлива можно разделять на две основные группы.

К первой группе относятся топлива, достаточно близкие к нефтяным по происхождению, физико-химическим и эксплуатационным свойствам. Такие топлива получают переработкой углеродсодержащих природ­ных и промышленных веществ (угля, битуминозных песков, горючих нефтяных сланцев, природного и промышленного горючих газов и т.п.) — из альтернативных энергоресурсов. Получаемые в результате переработки жидкие продукты в некоторых работах называют синтетической нефтью. Характерной особенностью топлив, получае­мых из нее, является то, что их использование не требует значительных изменений в конструкции или доработок ДВС, рассчитанных на топлива из природной нефти.

Ко второй группе отно­сятся топлива, существенно отличающиеся как по физико-химическим, так и по эксплуатационным свойствам от нефтяных. К этой группе относят спирты, нефтяной и природный газы, водород, аммиак и некоторые другие энергоносители. К альтернативным ус­ловно относят также газоконденсатные топлива, являющиеся продук­том нефтяного происхождения, но не получаемые из нефти в процессе ее переработки.

Альтернативные энергоносители имеют большие потенциальные возможности, освоение которых практически еще только начинается (например, при сегодняшних потребностях энергии, заключенной в нефтяных сланцах и битуминозных песках, хватило бы человечеству более чем на 1000 лет).

Уголь. Установленные запасы угля на земном шаре в десятки раз превышают запасы нефти и газа и оцениваются более чем в 14 трлн.т. Около 25 % разведанных запасов угля в СССР сосредоточено в Сибири, в Канско-Ачинском бассейне.

Энергетической программой предусмотрена крупномасштабная комплексная переработка углей Канско-Ачинского месторождения с получением компонентов моторных топлив, аммиака, метанола и водорода. При решении проблемы использования угля в качестве энергоисточника для транспортных двигателей основная задача состоит в создании экономически рентабельных способов его пере­работки в жидкое топливо, сопоставимое по своим качественным показателям с нефтью. Различают два современных способа превра­щения угля в жидкое углеводородное топливо (синтетическую нефть): путем сжижения угольной массы и с предварительной газификацией угля.

Физическая основа первого способа основана на том, что агре­гатное состояние углеводородных соединений зависит от количества в молекуле атомов водорода, приходящихся на один атом углерода,— чем их больше, тем при более низких температурах углеводороды становятся жидкими. Соответственно техническая реализация этого способа заключается в насыщении углеводородных компонентов угля водородом — в деструктивном гидрировании. В этом процессе измельченную угольную массу в смеси с жидкостью, выделяемой из конечного продукта гидрирования, подвергают действию высоких температур и давлений в атмосфере водорода в присутствии катализатора. При этом молекулярные связи исходных тяжелых угле­водородов разрываются (происходит их деструкция) с образованием молекул с меньшей молярной массой и насыщением свободных мо­лекулярных связей водородом. После вторичной переработки и очистки получают жидкие топлива, соответствующие по качеству современным требованиям к нефтяным топливам.

Первая установка по производству синтетической нефти из угля путем его гидрирования была создана в 1923 г. Во время второй мировой войны в Германии работало 12 заводов общей мощностью 2 млн. т бензина, 800 тыс. т дизельного топлива и 35 тыс. т сма­зочных материалов в год. Процесс проводился в громоздких уста­новках при высоких давлениях и температурах (70 МПа, 180 С).

Работы по совершенствованию методов гидрирования угля ведутся в СССР в Институте горючих ископаемых. Разработанная в СССР технология дает до 45 % жидкого горючего от массы израсходован­ного угля при соотношении бензин : дизельное топливо от 1 : 3 до 1 : 5.

Другой промышленный способ получения синтетической нефти основан на окислении угля в присутствии воды с последующим гидрированием полученных продуктов. Схему протекания реакций можно представить следующим образом:

1. Исходный продукт окисляется водяным паром С + Н₂О  СО + Н₂.

2. Образовавшийся оксид углерода и водород очищают и смешивают с водородом до получения смеси, содержащей 1 часть СО на 2,0 — 2,5 части Н₂.

3. Смесь газов подвергается обработке (t = 170 - 210 °С; Р - 1,0 МПа) на кобальтовом катализаторе. Получают жидкие и газообразные ве­щества. Жидкие продукты представляют собой одну из форм синтетической нефти (выход нефти до 650 кг из 1т угля). Из газообразных продуктов выделяют пропан-бутановую фракцию, используемую для изготовления сжиженных горючих газов. Этим способом синтетическая нефть может быть получена практически из любых углеродсодержащих веществ. Например, при эндотермической реакции воды с метаном

СН₄ + Н₂О  СО + ЗН₂

получают газ с соотношением СО и Н₂, близким к оптимальному, и далее по описанной выше схеме.

Большие ресурсы оксида углерода для получения синтетической нефти заключены в попутных газах металлургических производств (доменного, кислородно-конверторного, ферросплавного и др.). Рас­четы показывают, что использование только этих ресурсов достаточно для удовлетворения до 20 % потребности страны в автомобильном бензине.

Однако массовое использование топлив, полученных из угля, станет экономически целесообразным лишь после завершения всех работ по созданию высококачественных катализаторов, промышленной технологии и строительства соответствующих предприятий.

В нашей стране разработан один из наиболее экологически чистых способов производства углеводородов. По этому способу из атмосферы вы­деляют углекислый газ, который раз­лагают на оксид углерода и кислород. Для этого требуются большие затраты энергии, которую можно выработать, например, в атомных реакторах. Затем оксид уг­лерода соединяют с водородом и получают группы углеводородов, входящих в состав синтетической нефти (рис. 2.7).

Для получения синтетической нефти и горючих газов из угля и твердых углеводородных веществ применяют также процессы полукок­сования и коксования.

Полукоксование (или низкотемпе­ратурное коксование) заключается в нагреве сырья в печах без доступа воздуха (для угля температура на­грева 500 — 600 °С). В результате полукоксования получают: полукокс — твердое топливо, из которого уда­лены значительная часть летучих компонентов и влага; первичную смолу (смолу полукоксования) — жидкие продукты, сконденсирован­ные путем охлаждения выделяющихся летучих веществ; газы полукоксо­вания — газообразные продукты, несконденсировавшиеся при охлаждении летучих веществ. Эти газы состоят в основном из метана, в меньшем количестве они содержат непредельные углеводороды, примеси СО, СО₂, H₂S и др.

Коксование. При увеличении температуры выше температуры полукоксования (для угля до 750— 1200°С) расщепление сырья углубляется, в результат чего уменьшается количество выделяющихся смол и увеличивается количество газа.

Горючие газы. Основными компонентами горючих газов являются низкокипящие углеводороды (см. табл. 4.7). Сырьевой базой для получения этих веществ служит природный газ, нефтяные газы, a также газы, получаемые при нефтепереработке, доменные газы и биогаз.

Наибольшее значение для промышленности ТиС имеет приходный газ, который получают из газовых или и газоконденсатных месторождений. В залежах нефти также присутствует природный газ.

В зависимости от месторождения природный газ содержит от 92 до 98 % метана (CH₄) с примесями других, в том числе и более тяжелых углеводородов, диоксида углерода, сероводорода (содер­жание которого в газе некоторых месторождений достигает 20 %), гелия (получение гелия из природного газа имеет промышленное значение).

После относительно несложной очистки природный газ может быть непосредственно использован в качестве моторного топлива. Освоены технологии массового получения из природного газа жидких моторных топлив, метилового спирта (распространенное промышлен­ное название — метанол), водорода и других ценных химических про­дуктов. Мировые запасы метана в природных газах оценивают в 250 трлн. м³.

В качестве источника горючего газа на основе метана может рассматриваться биогаз, представляющий собой смесь метана (до 80 %) с углекислым и некоторыми другими газами. Биогаз получают биотехнологическими методами практически из любых органических веществ (в том числе отходов) с помощью термофильных, метано-образующих бактерий. Процесс преобразования, называемый биокон­версией или анаэробной ферментацией, проходит в специальных емкостях — метатенках, в которые подается теплота, вода и органические отходы (рис. 2.8). В результате получают биогаз (0,3 — 0,7 м³ из 1 кг сухого органического вещества), содержащий до 70% метана, и шлам, являющийся высокоэффективным азотно-фосфорным удобрением (1 т такого шлама эквиваленты 2 —4 т промыш­ленных удобрений). Биогаз очищают от примесей с целью увеличения содержания метана и используют в качестве моторного топлива наравне с природным газом. В ряде городов действуют промышленные установки по производству биогаза из промышленных отходов и жидких коммунальных стоков.

Перспективные ресурсы метана, намного превосходящие запасы природного газа, сосредоточены в метановом гидрате — веществе, имеющем консистенцию льда и состоящем из молекул метана, заключенных в трехмерной решетке молекул воды. Это вещество стабильно при достаточно высоких давлениях и минимальных положительных температурах, поэтому его месторождения сосредо­точены на дне морей и океанов. Под залежами гидратов расположен газообразный метан. По предварительным оценкам такие метановые залежи содержат около 1 млн. км газа. Другим перспективным источником метана является газ угольных месторождений (рудничный газ). Только в Донецком и Карагандинском каменноу­гольных месторождениях запасы метана оценивают в 80 км .

Все углеводородные горючие газы (как природный, так и промышленный и биогаз) могут быть использованы для получения синтетической нефти.

Распространенными процессами, используемыми для переработки газообразных углеводородов в жидкие, являются ал копирование и полимеризация. Реакция алкилирования заключается в присо­единении олефинового углеводорода к парафиновому или ароматиче­скому с образованием насыщенной молекулы большей молярной массы. В результате алкилирования получают алкилат, являющийся высококачественным компонентом бензинов.

Реакция полимеризации заключается в соединении двух или большего числа одинаковых молекул. В реакции полимеризации спо­собны участвовать только непредельные углеводороды. В природном горючем газе такие углеводороды отсутствуют, поэтому сырьем для полимеризации являются промышленные горючие газы, богатые не­предельными углеводородами. Полимеризация производится при тем­пературе 180 — 200°С и давлении 20 — 30 МПа в присутствии катализатора.

Большие потенциальные энергетические ресурсы заключены в горючих сланцах и битуминозных песках. В 1 т сланцев содержатся 80— 100 кг органических веществ (встречаются месторождения, со­держащие до 300 кг таких веществ).

Жидкое синтетическое топливо из сланцев получают путем их нагрева без доступа воздуха при температурах 500 — 550 °С. Выде­ляющаяся при этом сланцевая смола подвергается перегонке для отделения легких фракций, которые после гидрирования и очистки используют в качестве добавок к нефтяным топливам.

Огромные запасы нефтепродуктов в виде природного битума — вещества, состоящего из высокомолекулярных, преимущественно нафтеновых углеводородов, содержатся в битуминозных песках. Например, месторождения битуминозного песка в Азербайджане со­держат до 150 кг нефти на 1 м³ песка.

Широкое использование промышленных методом получения синтетической нефти сдерживается относительно (по сравнению с нефтью) высокой стоимостью процессов переработки. Объем производства этих продуктов будет возрастать по мере постоянно проходящего изменения соотношения между производственными за­тратами и стоимостью природной нефти.

Реальной и практически осуществляемой заменой нефтяных топлив являются спирты — метиловый (метанол) и этиловый (эта­нол). Наибольшее внимание уделяется метанолу. Это объясняется большими масштабами его производства (мировое производство ме­танола достигло 180 млн. т и продолжает увеличиваться в перс­пективе до 200 млн. т к 2000 г.), освоенной крупномасштабной технологией (производительность отдельных агрегатов достигает 100 тыс. т в год) и разнообразием сырьевых источников. В качестве сырья для получения метанола могут быть использованы тяжелые нефтяные остатки (гудрон, битум), уголь, природный газ и пр. Ме­танол может быть использован в качестве основного топлива для ДВС, как добавка к нефтяному топливу и как сырье для производ­ства синтетического высокооктанового бензина. Из метанола полу­чают эффективную высокоактивную добавку к бензину: метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ).

Этанол по своим эксплуатационным характеристикам близок к метанолу, но производство его отличается большей энергоемкостью, что обусловливает более высокую его стоимость. В промышленности этанол получают путем гидратации этилена или биотехнологической переработкой органических продуктов. Возможно также получение этанола из метанола путем реакции его с оксидом углерода на катализаторе (СН₃ОН + СО + 2Н₂ -+ СН₃СН₂ОН + Н₂О).

Биотехнологические методы переработки на этанол растительных веществ представляют особый интерес, так как позволяют получать альтернативные топлива из восстанавливаемых природных органических ресурсов — биомассы растений, побочных продуктов сельскохозяйственного производства и т.п.

Помимо отказа от использования природных горючих ископаемых такое решение дает возможность приблизиться к безотходной тех­нологии, что имеет большое экологическое значение.

Наиболее распространенным источником сырья для биотехнологического получения этанола являются отходы от переработки растительных масс. Для удовлетворения растущего спроса на этанол культивируют специальные сельскохозяйственные растения. Основ­ным препятствием в использовании такого способа являются ограничения по растительному сырью — посевные площади необ­ходимы для удовлетворения продовольственных потребностей людей.

Как основной перспективный энергоноситель будущего расс­матривают водород — экологически чистое топливо, обладающее неограниченными сырьевыми ресурсами. Наиболее распространенный современный промышленный способ получения водорода основан на частичном окислении метана и его конверсии с водяным паром:

2СН₄ + О₂  2СО + 4Н₂;

СН₄ + Н₂О  СО + ЗН₂.

Метан является ценным промышленным сырьем, поэтому пред­ложены способы получения водорода из воды. К таким способам относят электролитическое (электролиз) и термическое (термолиз) разложение воды. Недостатком электролиза является относительно низкий КПД процесса. Несмотря на это, в дальнейшем роль элек­тролиза возрастет в связи с удешевлением энергии АЭС и увеличением КПД электролизеров. Получение водорода с помощью электролиза нашло промышленное применение в ряде стран, обла­дающих дешевой гидроэнергией (Норвегия, Канада).

Прямой термолиз (разложение под действием высокой темпера­туры) воды неприемлем из-за высоких температур, при которых протекает реакция (3000 — 3500 °С). Разработаны имеющие практическое значение методы многоступенчатого термолиза с использованием промежуточных окислительно-восстановительных реакций, например двухступенчатый цикл термолиза воды. В первой ступени при относительно низкой температуре проходит реакция взаимодействия металла с водой. Продукты реакции — свободный водород и оксид металла. Во второй ступени при температурах (200 — 1300 °С) проходит восстановление оксида. Теплота для осуществ­ления такого цикла может быть получена от атомного реактора. Подсчитано, что термоядерный реактор тепловой мощностью 10 млн. кВт при работе по такому циклу даст 1 млн.т водорода в год.

К преимуществам использования водорода в качестве энерго­носителя относится также возможность аккумулирования больших его количеств в естественных и искусственных подземных резерву­арах (выработанные месторождения нефти и газа, горные выработки, соляные каверны и пр.), что важно для согласования режимов вы­работки и потребления энергии. Водород можно транспортировать по трубопроводам.

Приближенные расчеты показывают, что капитальные и эксплу­атационные расходы на транспортировку единицы энергии в виде водорода, благодаря его малой плотности и вязкости, сопоставимы с расходами по транспортировке природного паза и для расстояний свыше 1500 км примерно вдвое ниже, чем на передачу электро­энергии по воздушным линиям. В ФРГ и США действуют водород­ные трубопроводы протяженностью в несколько сотен километров. Дополнительное преимущество такого решения заключено и в том, что АЭС вырабатывают энергию непрерывно, при практически пос­тоянном режиме, их регулирование или отключение невыгодно, а потребление электроэнергии переменно по времени суток, дням не­дели и погодным условиям. Необходимо аккумулировать образующуюся в этих случаях избыточную энергию. Возможное решение - использование этой энергии для производства промежуточных энергоносителей, например метанола, водорода, которые могут быть использованы и в качестве топлива для ДВС.

Контрольные вопросы

I. Почему в качестве топлива для ДВС не используют пиротехнические составы (например, порох)? 2. Для каких топлив угол наклона кривой фракционной разгонки равен 90°? 3. Как связан концентрационный диапазон воспламеняемости горючей смеси с топливной экономичностью двигателя? 4. Почему использование газообразных топлив увеличивает долговечность цилиндро-поршневой группы? 5. Как нужно изменить рабочий процесс поршневого двигателя, чтобы можно было полезно использовать разность между высшей и низшей теплотами сгорания топлива? 6. Теплота сгорания этанола меньше, чем бензина (см. табл. 2.1), однако иногда этанол используют в качестве топлива на спортивных автомобилях. Почему?