Природный газ, как моторное топливо. Сжатие и транспортировка газов. Компрессоры и вентиляторы

Природный газ, основную часть которого составляет метан (92-98%), на сегодняшний день является самым перспективным альтернативным топливом для автомобилей. Природный газ может быть использован в виде топлива как в сжатом (компримированном), так и в сжиженном виде.

Метан - простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека.

Добыча и транспортировка

Газ находится в недрах Земли на глубине от одного до нескольких километров. Перед началом добычи газа необходимо провести геологоразведочные работы, которые позволяют установить местонахождение залежей. Добывается газ с помощью скважин, специально для этого пробуренных одним из возможных способов. Транспортируют газ чаще всего по газопроводам. Общая протяженность газораспределительных газопроводов в России составляет более 632 тысячи километров - это расстояние почти в 20 раз больше окружности Земли. Длина магистральных газопроводов на территории России - 162 тысячи километров.

Использование природного газа

Область применения природного газа достаточно широка: его используют для отопления помещений, приготовления пищи, подогрева воды, производства красок, клея, уксусной кислоты и удобрений. Помимо этого природный газ в сжатом или сжиженном виде может использоваться в качестве моторного топлива на автотранспорте, специальной и сельскохозяйственной технике, железнодорожном и водном транспорте.

Природный газ - экологичное моторное топливо

90% загрязнения атмосферы приходится на долю транспортных средств.

Перевод транспорта на экологически чистое моторное топливо - природный газ - позволяет сократить выбросы в атмосферу сажи, высокотоксичных ароматических углеводородов, окиси углерода, непредельных углеводородов и окислов азота.

При сжигании 1000 л жидкого нефтяного моторного топлива в воздух вместе с отработавшими газами выбрасывается 180-300 кг оксида углерода, 20-40 кг углеводородов, 25-45 кг окислов азота. При использовании природного газа вместо нефтяного топлива выброс токсичных веществ в окружающую среду снижается приблизительно в 2-3 раза по оксиду углерода, по окислам азота - в 2 раза, по углеводородам - в 3 раза, по задымленности - в 9 раз, а образование сажи, свойственное дизельным двигателям, отсутствует.

Природный газ - экономичное моторное топливо

Природный газ - самое экономичное моторное топливо. Для его переработки требуются минимальные затраты. По сути, все что нужно сделать с газом перед заправкой автомобиль - это сжать в компрессоре. Сегодня средняя розничная цена 1 куб.м метана (который по своим энергетическим свойситвам равен 1 литру бензина) - 13 рублей. Это в 2-3 раза дешевле бензина или дизельного топлива.

Природный газ - безопасное моторное топливо

Концентрационные* и температурные** пределы воспламенения природного газа значительно выше, чем у бензина и дизельного топлива. Метан в два раза легче воздуха и при утечке быстро растворяется в атмосфере.

Согласно «Классификации горючих веществ по степени чувствительности» МЧС России,компримированный природный газ отнесен к самому безопасному, четвертому классу, а пропан-бутан - ко второму.

* Образование взрывоопасной концентрации происходит при содержании паров газа в воздухе от 5 % до 15 %. В открытом пространстве образование взрывоопасной смеси не происходит.
** Нижний предел самовоспламенения метана - 650°C.

Природный газ - технологичное моторное топливо

Природный газ не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая
износ двигателя.

При сгорании природного газа не образуется твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя

Таким образом использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5-2 раза.

В таблице ниже приведено несколько фактов о КПГ и СПГ:

Природный газ состоит в основном из метана (не менее 90 %) с небольшими примесями этана (до 6%), пропана (до 1,7%), и бутана (до 1%).

Метан газ без цвета и запаха, мало растворим в воде, легче воздуха. Он относится к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двигателя по сравнению с бензином и сжиженным нефтяным газом, поэтому метан является полноценным топливом для автомобилей с хорошими антидетонационными характеристиками.

Характеристика метана.

Молекулярная формула – CH 4

Молярная масса, кг/моль – 16,03

Плотность при температуре 15°С и давлении 0,1 МПа:

— в газообразном состоянии, кг/м 3 – 0,717

— в жидком состоянии, кг/л – 0,42

Углеродное число – 2,96

Температура кипения, °С – -161,7

Температура самовоспламенения (вспышки), °С – 590

Низшая теплота сгорания:

— в газообразном состоянии, кДж/м 3 – 33800

— в жидком состоянии, кДж/л – 20900

Относительная плотность (по воздуху) – 0,554

Коррозионная активность – отсутствует

Токсичность – не токсичен

Температура горения, °С – 2030

Для справки . Теплота сгорания.

Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1м 3 газа, при атмосферном давлении и температуре 20°С.

Есть высшая и низшая теплота сгорания газа. При определении высшей теплоты сгорания учитывается вся теплота, выделившияся во время сгорания и отведенная от продуктов сгорания путем их охлаждения до начальной температуры. На практике образовавшиеся пары воды не конденсируются и уносят часть теплоты, затраченной на нагревание 1кг воды от 0 до 100°С, которая равна 418,6 кДж.

При сгорании на испарение влаги, содержащейся в топливе и полученной от сгорания водорода, затрачивается теплота. Поэтому для характеристики газовых топлив на практике применяется низшая теплота сгорания газа, являющаяся стандартной величиной.

Природный газ перед применением в качестве моторного топлива проходит предварительную подготовку на предмет соответствия его параметров на эксплуатационные качества двигателя (удаление примесей) и условиям хранения на автомобиле.

Поскольку природный газ сжижается при температуре -161,7°С, а в нормальных условиях это сделать невозможно, на автомобилях он хранится в баллонах в сжатом до 20 МПа (200кг/см.кв.) состоянии.

Сжатые газы характеризуются тем, что при температуре 20°С и высоком давлении (20 МПа) остаются в газообразном состоянии.

Газ природный топливный компримированный (сжатый природный газ).

По физико–химическим показателям и содержанию примесей природный топливный газ должен соответствовать ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания».

По физико–химическим показателям газ по данному ГОСТу должен соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1.

№№п/п	Показатели	Значение
1	2	3
1.	Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м 3 , не менее	31800
2.	Относительная плотность к воздуху	0,55-0,70
3.	Расчетное октановое число (по моторному методу), не менее	105
4.	Концентрация сероводорода, г/м 3 , не более	0,02
5.	Концентрация меркаптановой серы, г/м 3 , не более	0,036
6.	Масса механических примесей в 1м 3 , мг, не более	1,0
7.	Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более	7,0
8.	Объемная доля кислорода, %, не более	1,0
9.	Концентрация паров воды, мг/м 3 , не более	9,0

Недостатки и преимущества применения сжатого природного газа в сравнении с бензином.

1. Недостатки.

1.1. Содержание газа под большим давлением требует применения высокопрочных баллонов, имеющих значительную массу и изготавливаемых из высококачественных сталей. Вес одного баллона вместимостью 50 литров с 10м 3 газа составляет около70 кг. Установка на автомобиль газовых баллонов влечет за собой снижение грузоподъемности автомобиля на 10-12%, снижается также запас хода автомобиля.

Баллоны для СПГ являются сосудами высокого давления, для баллонов из легированной стали установлен срок испытания один раз в 5 лет, а из углеродистой – один раз в 3 года.

1.2. Так как теплота сгорания газовоздушной смеси метана меньше теплоты сгорания бензовоздушной смеси (3,22 МДж/м 3 для метана с воздухом и 3,55 МДж/м 3 для бензина с воздухом), и вследствие меньшего коэффициента наполнения цилиндров мощность двигателя при переводе на сжатый газ снижается на 18-20%.

1.3. При применении газового топлива затруднен пуск двигателя в зимнее время при температуре ниже 15°С. Причина – более высокая температура воспламенения газовоздушной смеси и меньшая скорость распространения пламени.

1.4. Для проведения технического обслуживания и ремонта газобаллонных автомобилей требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала. По сравнению с обслуживанием бензиновых и дизельных двигателей трудоемкость ТО и ремонта газового оборудования увеличивается на 13-15%, а затраты – на 4-6%.

1.5. Работа двигателей на сжатом газе сопровождается ухудшением тягово-динамических и эксплуатационных характеристик автомобилей: время разгона увеличивается на 25-30%; максимальная скорость уменьшается на 5-7%.

2. Преимущества.

2.1. Газовое топливо более полно сгорает в цилиндрах двигателей из-за более широких пределов воспламенения газа в сравнении с бензином. Если пределы воспламенения бензина в смеси с воздухом составляет соответственно 6,0 и 1,5%, то пределы воспламенения сжатого газа в смеси с воздухом составляет по верхнему пределу 15% и по нижнему пределу 5%. Это позволяет на эксплуатационных режимах работы двигателей обеднять горючую смесь до α=1,2-1,3.

В результате существенно снижается токсичность отработанных газов (по содержанию оксидов углерода — в 2-3 раза, по содержанию оксидов азота – в 1,2-2,0 раза, по содержанию углеводородов – в 1,1-1,4 раза).

2.2. Сжатый газ не разжижает масло в картере двигателя, не смывает масло со стенок цилиндров и не ухудшает этим условий смазки. Поэтому износы деталей двигателей, работающих на газе, ниже чем у бензиновых двигателей. Вследствие этого моторесурс двигателей увеличивается в 1,3-1,5 раза. Увеличивается также срок службы масла в 1,5-2 раза, а затраты на него снижаются на 25-35 процентов.

2.3. Цены на сжатый газ ниже чем на бензин: Экономия затрат на топливо имеется несмотря на потерю мощности двигателя и снижение грузоподъемности автомобиля.

Автотранс-консультант.ру.

К атегория:

Автомобильные эксплуатационные материалы

Применение сжатого природного газа

Природный газ состоит в основном из метана и небольшой примеси других газообразных компонентов. Состав природного газа отличается в зависимости от его месторождения и может характеризоваться следующими средними значениями: метана 85…99, этана 1…8, пропана и бутана 0,5…3, пентана до 0.5…2, азота 0,5…0,7, углекислоты до 1,8% об.

Теплота сгорания природных газов отдельных месторождений может доходить до 47 МДж/м3, однако в среднем она составляет 33…36 МДж/м3. Эта величина почти в 1000 раз меньше, чем у жидкого нефтяного топлива, что и является основным недостатком природного газа как моторного топлива. Поэтому для обеспечения приемлемых эксплуатационных качеств автомобиля, прежде всего запаса хода при работе на природном газе, требуется его специальная подготовка: сжатие до давления 20 МПа и более с последующим хранением на автомобиле в баллонах высокого давления либо сжижение с помощью глубокого охлаждения до -162 °С с хранением в специальных криогенных (теплоизолированных) емкостях. Из-за большей простоты наиболее широко применяется природный газ в сжатом виде.

К природному газу, используемому в сжатом виде в качестве моторного топлива, предъявляются следующие специфические требования: отсутствие пыли и жидкого остатка, а также минимальная влажность. Последнее требование связано с исключением возможности закупорки каналов топливной системы, вызываемой замерзанием и выпадением гидратов вследствие дросселирования и снижения температуры газа при заправке автомобиля. Для обеспечения выполнения этих требований природный газ подвергается очистке с помощью фильтрующего, сепарационного и осушительного оборудования, установленного на газонаполнительных станциях.

В соответствии с ТУ 51-166-83 «Газ горючий природный сжатый, топливо для газобаллонных автомобилей», для заправки газовых автомобилей предназначены две марки СПГ (табл. 7). Их отличием является различное содержание метана и азота. В составе СПГ ограничено содержание следующих продуктов (г/м3, не более): сероводорода-0,02; меркаптановой серы- 0,016; механических примесей - 0,001; влаги - 0,009. Массовая доля сероводородной и меркаптановой серы в СПГ не должна превышать 0,1%.

В настоящее время наибольшее распространение получило использование природного газа в сжатом виде на автомобилях с двигателями внешнего смесеобразования и принудительным (искровым) воспламенением. Обычно на автомобиль с карбюраторным двигателем дополнительно устанавливаются баллоны для хранения природного газа под высоким давлением, газовые редукторы, электромагнитные клапаны и другая газовая арматура, обеспечивающая возможность работы двигателя на газе. Универсальность питания такого автомобиля (бензин или природный газ) является и его недостатком, так как не позволяет полностью использовать высокую детонационную стойкость природного газа.

Опыт эксплуатации отечественных газовых автомобилей, работающих на СПГ , выявил ряд положительных сторон, схожих с достоинствами при работе на СПГ . При использовании СПГ в качестве моторного топлива моторесурс двигателя увеличивается на 35…40%, срок службы свечей на 30…40%, расход моторного масла снижается благодаря увеличению периодичности (срока) его смены в 2…3 раза. Вместе с тем перевод на сжатый природный газ бензиновых автомобилей ведет к ухудшению ряда их эксплуатационных показателей. Мощность двигателя снижается на 18…20%, что ведет к снижению максимальной скорости на 5…6%, увеличению времени разгона на 24…30% и уменьшению максимальных углов преодолеваемых подъемов. Из-за большой массы баллонов для хранения газа высокого давления грузоподъемность автомобиля снижается на 9…14%. Дальность ездки на одной заправке газа не превышает 200…280 км.

Из-за наличия дополнительной топливной системы трудоемкость технического обслуживания и ремонта газового автомобиля увеличивается на 7…8%.

При использовании природного газа в качестве моторного топлива отмечены его плохие пусковые свойства. Предельное значение температуры холодного пуска двигателя (без дополнительных средств подогрева) на природном газе на 3…8 °С выше, чем на СНГ , и на 10…12 °С, чем на бензине. Трудность пуска объясняется высокой температурой воспламенения метана, а также тем, что в процессе воспламенения после нескольких вспышек на свечах осаждается вода, шунтирующая искровой промежуток.

Важным достоинством газовых топлив по сравнению с нефтяными являются лучшие экологические свойства, связанные прежде всего с уменьшением выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателя. Как известно, такими веществами являются окись углерода СО, окислы азота NO.t, суммарные углеводороды СН и в случае применения этилированных бензинов соединения свинца. Применение газовых топлив, отличающихся высокой детонационной стойкостью, исключает необходимость использования токсичного антидетонатора ТЭС и поэтому является эффективным фактором снижения загрязнения окружающей среды высокотоксичными свинцовыми соединениями. Изменение содержания окиси углерода при работе двигателя на газе и бензине в зависимости от состава топливно-воздушной смеси примерно одинаково. Однако, учитывая возможность работы газового двигателя на более бедных смесях, при его оптимальной регулировке обеспечиваются более низкие концентрации СО. Уровни выбросов СН также примерно одинаковы, однако их состав принципиально отличен. Вредное воздействие углеводородов, образующихся в продуктах сгорания нефтяных топлив, связано главным образом с образованием смога. При работе на природном газе углеводородная часть отработавших газов состоит в основном из метана, обладающего высокой устойчивостью к образованию смога.

Окислы азота являются наиболее токсичными компонентами отработавших газов. Их максимальное содержание для газового двигателя примерно в 2 раза меньше, чем для бензинового. Кроме того, оно может быть дополнительно снижено в 2…3 раза за счет регулировки состава топливной смеси.

Исходя из рассмотренных факторов применение газовых автомобилей на СПГ наиболее рационально на внутригородских грузовых перевозках для обслуживания предприятий торговли, быта и др. Использование природного газа перспективно и на городском пассажирском автотранспорте ввиду снижения в этом случае вредных выбросов, загрязняющих атмосферу. Для этой цели в нашей стране начат выпуск газовых автобусов ЛАЗ -695НГ и газовой модификации легкового автомобиля-такси ГАЗ -24-27.

Наиболее массовым автомобилем, работающим на сжатом природном газе, является грузовой автомобиль ЗИЛ -1Э8А. Основные элементы универсальной системы питания этого автомобиля, обеспечивающей работу на газе и бензине, использованы во всех других моделях газовых автомобилей. Газовая система питания автомобиля ЭИЛ -138А (рис. 23) включает восемь баллонов из углеродистой стали объемом 50 л каждый, рассчитанных на рабочее давление 20 МПа. Баллоны соединены трубками высокого давления и разделены на две секции с отдельными запорными вентилями 12. Заправка баллонов газом осуществляется с помощью вентиля. Перед подачей в двигатель газ проходит теплообменник, в котором подогревается горячими отработавшими газами двигателя. Для снижения давления газа используется редуктор высокого давления (снижает давление до 1,2 МПа) и низкого давления 5. Для контроля за работой системы питания служат два манометра, находящиеся в кабине водителя.

Рис. 1. Принципиальная схема топливной системы автомобиля ЗИЛ -1Э8А

Рис. 2. Схема газодизельной топливной системы автомобиля КамАЗ: 1 -двигатель; 2- ТНВД ; 3-дозатор газа; 4 - электромагнитный клапан с фильтром; 5-редуктор высокого давления; 6 - подогреватель газа; 7- вентили; 8 - манометр; 9 - редуктор низкого давления; 10- баллон; 11- смеситель; 12 - педаль подачи топлива

Резервная система питания бензином включает стандартный бензобак, электромагнитный клапан-фильтр, бензонасос и карбюратор-смеситель. Переход с одного вида топлива на другой осуществляется с помощью электромагнитных клапанов.

Общая вместимость баллонов составляет 400 л, что позволяет заправить 80 м3 газа при массе газобаллонной установки около 800 кг.

Сложность применения газовых топлив в дизельных двигателях связана с их плохой воспламеняемостью, низким цетановым числом и высокой температурой воспламенения. Поэтому для организации работы дизеля на природном газе используется газодизельный процесс, заключающийся в подаче в цилиндры дозы запального дизельного топлива, обеспечивающего воспламенение газовоздушной смеси.

Газодизельный процесс использован в ряде газовых модификаций автомобилей семейства КамАЗ, а также дизельных автобусах. В состав газодизельной системы питания автомобилей КамАЗ входит 8… 10 газовых баллонов высокого давления. Сжатый газ из баллонов поступает в подогреватель 6, где подогревается с помощью тепла охлаждающей жидкости. В редукторе давление газа снижается до 0,95… 1,1 МПа. После этого через электромагнитный клапан-фильтр он поступает в двухступенчатый редуктор низкого давления и затем через дозатор газа в смеситель, где смешивается с воздухом. Газовоздушная смесь подается в цилиндры двигателя, где в конце такта сжатия в нее через обычную форсунку впрыскивается запальная доза дизельного топлива.

Привод рычага управления регулятором топливного насоса высокого давления (ТНВД ) соединен тягой с приводом дроссельной заслонки дозатора. С помощью специального механизма обеспечивается постоянство расхода запальной дозы дизельного топлива в газодизельном режиме работы двигателя независимо от положения педали подачи топлива. Пуск газодизельного двигателя и его работа на холостом ходу происходят только на дизельном топливе. На остальных режимах повышение мощности двигателя достигается путем увеличения подачи газового топлива. Величина подачи запальной дозы составляет 15…20% от суммарного расхода топлива.

Заправка автомобилей природным газом осуществляется на стационарных автомобильных газонаполнительных станциях (АГНКС ) или с помощью передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗ ). Типовая АГНКС обеспечивает 500 заправок в сутки. Ее технологическая схема состоит из пяти основных функциональных блоков: сепараторов, компрессоров, осушки, аккумуляторов газа и раздаточных колонок. АГНКС является сложным сооружением, включающим производственно-технологический корпус с газораздаточной и операторной, заправочную площадку с боксами для стоянки автомобилей и внешние коммуникации (подключение к газовой сети, водопровод, линия электропередачи и др.). Газ, поступающий из внешней сети, проходит сепарацию, далее сжимается компрессорами до 25 МПа и подается в установку осушки. Сухой газ направляется для хранения в аккумуляторы, откуда через газозаправочные колонки поступает на заправку автомобилей.

Рис. 3. Технологическая схема стационарной АГНКС

Число заправочных колонок на АГНКС - 8, время заправки с учетом всех операций составляет: для грузового автомобиля 10…12 мин, легкового - 6…8 мин.

Для заправки автомобилей автотранспортных предприятий, удаленных от АГНКС , используются передвижные автогазозаправщики (ПАГЗ ). На ПАГЗ смонтирована газобаллонная установка, снабженная блоками зарядки газом заправщика и раздачи газа автомобилям. Газобаллонная установка обычно включает три секции газовых баллонов объемом 400 fl каждая с давлением 32 МПа для ступенчатой заправки автомобилей бескомпрессорным способом. Заправка осуществляется с помощью двух раздаточных устройств.

Газообразные углеводороды, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений принято называть собственно природным газом. Природный газ является в настоящее время одним из основных бытовых и экологически чистых промышленных топлив. Он используется также в качестве сырья для производства водорода, технического углерода (сажи), этана, этилена, ацетилена.

Природный газ состоит главным образом из алканов, представлен­ных, прежде всего, нормальными углеводородами с числом атомов угле­рода от 1 до 4-х (С Г С 4) и изобутаном.

Основным компонентом сухого природного газа является метан (93-98 %), в котором соотношение Н:С составляет 33%. Остальные углеводородные компоненты содержатся в меньших ко­личествах. Газообразные алканы в природном газе имеют температуры ки­пения при нормальном давлении от-162 С до 0 С.

Если в XX веке основное внимание в мире уделялось изучению, раз­ведке, освоению месторождений природного газа, представляющих собой обычные (традиционные) газосодержащие скопления углеводородов, то в XXI веке экономическая конъюнктура уже требует обратиться к значи­тельным потенциальным ресурсам природного газа, заключенным в нетрадиционных источниках, прежде всего к природным газовым гидратам (ГТ). ГГ являются весьма существенным и до сих пор мало разрабатывае­мым источником природного газа на Земле. Они могут составить реальную конкуренцию традиционным месторождениям в силу огромных ресурсов, широкого распространения, неглубокого залегания и концентрированного состояния газа (один кубометр природного метан-гидрата в твердом со­стоянии содержит около 164 м метана в газовой фазе и 0,87 м воды).

Со времени обнаружения первых залежей природных газовых гидра­тов прошло немного лет. Приоритет в открытии их принадлежит россий­ским ученым. В марте 2000 г. российско-бельгийская экспедиция обнаружила уни­кальное месторождение газовых гидратов в пресноводных придонных от­ложениях озера Байкал, на глубине нескольких сотен метров от поверхно­сти воды. Впервые со дна озера удалось достать крупные кристаллы газогидратов, размером до 7 см.

Исследованиями, проведенными в разных регионах мира, установле­но, что около 98% ресурсов ГТ находится в акваториях мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Японии, Норвегии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях) на глубинах воды более 200-700 м, и только 2% - в приполярных частях материков. По средневзвешенным оценкам ресурсы газогидратных залежей составляют около 21000 трлн м 3 . При современном уровне потребления энергии, даже при использовании только 10% ресурсов газогидратов, мир будет обеспечен высококачественным сырьем для экологически чистой выработки энергии на 200 лег.

По мнению Мирового совета по энергии, до 2020 г. природный газ представляется как самое технологически подготовленное топливо для двигателей внутреннего сгорания и с точки зрения подготовки автомобиля, требующее минимальных затрат на переоборудование автомобиля с жид­кого топлива на газообразное, и с точки зрения запасов природного газа.

И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу примерно одинаковое количество углеводородов, В то же время для здоро­вья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает массу различных угле­водородов, а газовый двигатель - метан, который из всех предельных уг­леводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен.

По запасам природного газа (в основном метана) и его добыче Рос­сия находится на первом месте в мире.

Доля природного газа в топливно-энергетическом ба­лансе мира весьма скромная - 23%. И темпы роста га­зовой промышленности в большинстве стран мира также невысокие. Ис­ключение представляют такие страны, как Россия, Нидерланды, Норвегия и ряд других, в которых, можно считать, что на смену "эпохе нефти" при­шла "эпоха природного газа" или "эпоха метана".

При использовании газа в карбюраторных двигателях 1 м 3 его для грузовых автомобилей, в среднем, заменяет 1 л, а для легковых автомоби­лей-1,2 л бензина.

Применение КПГ на автомобильном транспорте может обеспечить создание автомобилей мощностью на 30-40% выше, чем современные ав­томобили, работающие на бензине, с эффективным КПД до 38-40% при одновременном увеличении срока службы двигателя в 1,5 раза и сроков смены масла в два раза.

Главный недостаток природного газа как моторного топлива заклю­чается прежде всего в меньшей (в 1000 раз) объемной его энергоплотности по сравнению с жидкими нефтяными топливами - 0,034 МДж/л для при­родного газа, 31,3 и 35,6 МДж/л для бензина и дизельного топлива.

Природный газ сам по себе очень громоздкое топливо,поскольку его плотность в шестьсот раз ниже плотности бензина. Для хранения его в компримированном состоянии приходится использовать специальные достаточно тяжелые баллоны. Массивные газовые баллоны, устанавливае­мые на автомобиле увеличивают его массу и снижают грузоподъем­ность. Сжатый газ хранится в основном в металлических баллонах. оптимальная высокая степень сжатия двигателей газовых ав­томобилей не устанавливается из-за необходимости сохранять возмож­ность быстрого перехода на бензин, что приводит к снижению мощности двигателя (до 20%), вследствие которого на 5-6 % уменьшается макси­мальная скорость, затрудняется пуск двигателя в холодное время года (ниже 0 °С), что объ­ясняется более высокой температурой воспламенения и самовоспламене­ния природного, поэтому в схеме питания предусмотрены подогреватели газового топлива; при отсутствии подогрева возможен пуск двигателя на нефтяном топливе с последующим переводом на газовое по­сле прогрева двигателя; усложняется конструкция топливной системы, увеличивается ее масса и на 3-10% увеличивается объем и стоимость тех­нического обслуживания и ремонта;

По правилам техники безопасности газ необходимо сработать, перед тем как ставить автомобиль на стоянку и тем более в гараж. А в начале ра­бочего дня необходимо на жидком топливе ехать заправляться на специа­лизированную газозаправочную станцию, что очень неудобно.

Каталитические нейтрализаторы отработавших га­зов автомобиля, предназначенные для бензина, неэффективны для сниже­ния содержания окислouов азота и метана при работе на природном газе. Не­обходимо усовершенствование двигателей и каталитических нейтрализа­торов. С точки зрения охраны окружающей среды газовый двигатель с ре­гулируемым трехступенчатым каталитическим нейтрализатором мог бы быть наиболее перспективным решением для достижения сокращения эмиссии всех загрязняющих веществ более чем на 90%.

Использование природного газа в дизельных двигателях затрудня­ется из-за его сравнительно высокой температуры самовоспламенения и соответственно низкого цетанового числа. Чтобы преодолеть это затруд­нение, используют так называемую двухтопливную систему - небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в камеру сгорания в качест­ве запального заряда, а затем подается сжатый природный газ. Иногда приходится устанавливать систему искрового зажигания. Дизельные дви­гатели, работающие на природном газе, широко применяют в самой газо­вой промышленности в поршневых газоперекачивающих агрегатах и мо-торо-генераторах с искровым и форкамерно-факельным зажиганием.

Надо заметить, что газообразное топливо - единственный вид аль­тернативного топлива, для которого в России в основном решены техниче­ские и экологические проблемы использования, хотя определенные слож­ности вызывает ломка психологии потребителя, с предубеждением отно­сящегося к непривычному топливу.

Использование КПГ в авиации позволяет кардинально изменить экологические характеристики выхлоп­ных газов, ликвидировать дефицит на многие десятилетия в авиационных тбпливах и существенно снизить затраты на топливо.

Анализ перспектив использования природного газа на судах показал, что этот вид энергоносителя может быть рекомендован к применению только на судах служебно-вспомогательного флота.

1.1.2 Метансодержащие газы угольных пластов и подземной гид­росферы

Практическое применение нашел шахтный метан, добываемый из угольных пород. В последнее время его вполне определенно относят к числу альтернативных видов автомобильных топлив. Его количество сопоставимо с ресурсами ка­менного угля (104 млрд т).

Хотя в мире добывают немного шахтного метана, но он уже получил применение. К 1990 году в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рей­совых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахт­ном газе колеблется от 1 до 98%. Как моторное топливо наибольший инте­рес представляет собой газ, извлекаемый из угольных пластов, вне зон влияния горных работ, по технологиям углегазового промысла. Сущность такого промысла заключается в извлечении газа скважинами, пробурен­ными с поверхности, с применением методов стимулирования газоотдачи, при этом шахтный газ имеет в своем составе 95-98% метана, 3-5% азота и 1-3% диоксида углерода.

В России шахтный метан как вид энергетиче­ского топлива и химического сырья, привлекает внимание с позиций по­тенциальных запасов, которые определены к настоящему времени.

Следует отметить, что содержание горючих газов в угольных пла­стах зависит от глубины отработки запасов и возрастает по мере ее увели­чения. Это приводит к росту интенсивности и объемов выделения газов в горные выработки.

В настоящее время в России шахтный метан, со­держащийся в угольных пластах и окружающих их породах, извлекается на поверхность вакуумнасосными станциями через специально пробурен­ные скважины, а из шахтного пространства выбрасывается в атмосферу через вентиляционную систему.

Во всех случаях использование метановоздушной смеси в качестве энергетического топлива определяется ее составом, т.е. соотношением в ней метана как такового и воздуха. Процентное соотношение этих компо­нентов предопределяет энергетическую ценность метановоздушной смеси и возможность ее использования, особенно в части взрывоопасности при сжигании.

Практика подтвердила, что метановоздушная смесь с содержанием метана в пределах от 2,5 до 30% по существующей классификации отно­сится к некондиционной и является взрывоопасной при сжигании, а смеси, содержащие чистого метана менее 2,5 и свыше 30%, являются безопасны­ми при сжигании в энергетических установках. Обе смеси безусловно яв­ляются потенциальными источниками энергетического топлива.

Техническое использование некондиционной метановоздушной сме­си заключается в доведении содержания чистого метана до кондиционных уровней (свыше 30% и менее 2,5%). Это может быть осуществлено, во-первых, за счет улучшения систем дегазации, позволяю­щих поддерживать содержание метана в смеси свыше 30%. Но реализация этого пути, судя по доле некондиционного шахтного метана в общей структуре выхода метана, имеет определенные трудности. Второй путь -повышение концентрации метана за счет добавления в смесь природного газа. Третье направление - снижение концентрации метана до нижнего предела взрывоопасности за счет разбавления смеси воздухом -является наиболее простым для практического осуществления.

В настоящее время в России наилучшие успехи в дегазации и ис­пользовании шахтного метана достигнуты в Воркутинском бассейне, где он применяется в котельных, огненных калориферах и сушилках. Современные технологии позволяют эффективно из­влекать метан при неглубоком залегании угольных пластов большой мощ­ности и высокой газонасыщенности, там, где возможно применение мето­дов интенсификации притоков газа к забою. Только немногие углегазонос-ные регионы мира отвечают этим условиям, поэтому, несмотря на высокие ресурсы метана угольных пластов, реальная добыча газа в ближайшие го­ды вряд ли превысит 5-10% общей газодобычи.

Водорастворенные а диспергированные газы подземной гидро­сферы (до глубин 4500 м) распространены почти повсеместно в земной коре. Общие ресурсы газа в подземных водах до глубин 4500 м, по оцен­кам ВНИГРИ, достигают 10000 трлн м\ а до глубин, в среднем, не превы­шающих 10 км,

Подземная гидро­сфера Земли в силу высокой растворимости в ней углеводородных и дру­гих газовых компонентов в геологическом времени пребывает в состоянии перманентного, местами прогрессирующего газонасыщения преимущест­венно углеводородами, следствием которого неизбежно является образо­вание зон предельного газонасыщения. Изучение таких зон, достоверно Установленных в настоящее время в пределах молодых платформ, а также существовавших на древних этапах развития ряда регионов, позволяет раскрыть характер геохимических связей между залежами углеводородов и газонасыщенными подземными водами.

тогом научных изысканий в области нефтегазовой гидрогеологии является установление общей закономерности, согласно которой промышленные залежи газа, а возможно и нефти, " являются следствием глобального процесса газонасыщения подземной гидросферы.

Приведенная схемагическсая модель достаточно близко соответствует природным условиям следующих конкретных газоносных провинций и га­зоносных районов.

Биогаз

О газообразных топливах из местных ресурсов раньше в России ни­кто серьезно не задумывался. Страна, обладающая крупными запасами нефти и газа, могла себе это позволить. В странах же, не имеющих естест­венных природных богатств, уже с середины 1980-х были поставлены на учет и запущены в производство все потенциальные местные источники альтернативных моторных топлив. К числу их относятся прежде всего раз­личные виды биомасс растительного и животного происхождения.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся при ме­тановом сбраживании различных биомасс. Метановое брожение - резуль­тат природного биоценоза анаэробных бактерий - протекает при темпе­ратурах от 10 до 55 °С в трех диапазонах: 10...25 °С - психрофильное; 25 .40 °С - мезофильное; 52...55 °С - термофильное. Влажность системы составляет от 8 до 99 %, оптимальное значение - 92 - 93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50-90 %.

Биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России. В нашей стране ежегодно накапливается до 300 млн. т (по сухому веществу) органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйст­венном производстве, 50 млн т в виде ТБО. Эти отходы являются прекрас­ным сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м 3 , то есть 40 млн т нефтя­ного эквивалента на сумму 20 млрд евро. Общая потенциальная стоимость вырабатываемого объема биотоилив (сингаз и биогаз) может составить 35 млрд евро в год.

Сбраживание отходов лучше всего проводить в метантенках - метал­лических или железобетонных резервуарах с подогревом и перемешивани­ем.

Для производства биогаза из твердых бытовых отходов (ТБО) их сначала измельчают, а затем в метантенке перемешивают с канализацион­ным осадком из отстойников очистных сооружений. В своем составе газы имеют до 50 % метана, 25 % двуокиси углерода, до 2 % водорода и азота. Эта технология достаточно широко ис­пользуется за рубежом - в США, Германии, Японии, Швеции.

Биогаз является одним из наиболее перспективных видов моторных топлив, производимых из местного сырья, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств. За корот­кий срок во многих странах мира была создана целая индустрия по произ­водству биогаза.

Значительная часть производимого биогаза идет на получение электроэнергии.

Среди промышленно развитых стран ведущее место -в произ­водстве и использовании биогаза принадлежит Дании

Как показывает практика, выход кана­лизационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающей населенный пункт с численностью жителей 100 тыс. человек, достигает в сутки более 2500 м 3 , что эквивалентно 2000 л" бензина.

К производству биогаза относится также получение лендфиллгаза, или биогаза из мусора со свалок. В настоящее время во многих странах создаются специальные обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза для производства электриче­ской и тепловой энергии. Значительные объемы сырья для брожения имеются в сельском хо­зяйстве.

Биогазовые технологии эффективны в любом климатическом регио­не огромной России. Таким способом уже производятся газообразное топ­ливо и высокоэффективные органические удобрения, так необходимые со­временному российскому сельскому хозяйству

Однако создание двигателей автотранспортных средств, работающих на газе с низкой теплотой сгорания, как у биогаза, представляет опреде­ленные трудности. Поэтому целесообразнее использовать не биогаз, а по­лучаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют С0 2 и другие примеси. Получаемый газ (биометан), содержит 90-97 % CH4 и имеет теп­лоту сгорания 35-40 МДж/м 3 . Очистка биогаза от двуокиси углерода может производиться различными способами. Наиболее распространенные: про­мывка газов жидкими поглотителями (например, водой), вымораживание, адсорбция при низких температурах.

Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии.

Сжиженные газы

Похожая информация.

Общее описание поршневых компрессоров. Одноступенчатые и двухступенчатые. Вредное пространство

В соответствии с характером действия, поршневые компрессоры могут быть одинарного (или простого) действия и двойного действия. В агрегатах простого действия, за один ход поршня осуществляется одно всасывание или нагнетание. В компрессорах двойного действия, за один ход поршня осуществляется два всасывания или нагнетания.

По количеству ступеней сжатия поршневые компрессоры делятся на три типа: одноступенчатые, двухступенчатые и многоступенчатые. Ступенью сжатия принято называть часть компрессора, в которой газ сжимается до промежуточного или конечного давления.

Конструктивно, одноступенчатые компрессоры могут быть вертикальными или горизонтальными. Как правило, компрессоры с горизонтальной конструкцией являются машинами двойного действия, а компрессоры с вертикальной конструкцией относятся к агрегатам простого действия.

В одноступенчатом компрессоре простого действия с горизонтальным типом конструкции, поршень перемещается внутри цилиндра. Цилиндр оснащен крышкой, которая имеет всасывающий и нагнетательный клапаны. Поршень компрессора соединяется с шатуном и кривошипом. На валу кривошипа располагается маховик. В процессе хода поршня слева направо, в зоне между поршнем и цилиндром возникает разрежение. Разность давления в линии всасывания и цилиндре заставляет открываться клапан, в результате чего газ поступает в цилиндр. Когда поршень совершает обратное движение справа налево, всасывающий клапан закрывается, и газ в цилиндре сжимается до уровня давления p 2 . Далее, через клапан газ вытесняется в линию нагнетания. Цикл завершается и повторяется снова.

Одноступенчатый компрессор двойного действия оснащен четырьмя клапанами (двумя всасывающими и двумя нагнетательными). Такие машины устроены сложнее, но уровень производительности у них в два раза выше. В целях охлаждения цилиндр и крышки могут оснащаться водяными рубашками. Чтобы увеличить показатель производительности данные машины могут изготавливаться многоцилиндровыми конструкциями. Одноступенчатые компрессоры с вертикальным типом конструкции являются более производительными и быстроходными, чем горизонтальные. Кроме того, они занимают меньшую производственную площадь и более долговечны.

Двухступенчатые компрессоры с горизонтальным типом конструкции, как правило, оснащены одним цилиндром и ступенчатым или дифференциальным типом поршня. Газ подвергается сжатию в цилиндре левой стороной поршня, после чего проходит сквозь холодильник и подается в цилиндр с другой стороны, где сжимается до уровня p 2 .

Многоступенчатые конструкции оснащены цилиндрами, которые располагаются последовательно (система тандем) или параллельно (система компаунд). Существуют также оппозитные конструкции компрессоров, где поршни двигаются взаимно противоположно. Цилиндры в конструкциях данного типа располагаются по обе стороны вала.

Следует отметить, что реальный процесс сжатия газа в компрессоре отличается от теории. Так, между поршнем, когда он находится в крайнем положении и крышкой цилиндра есть некий свободный объем. Данный зазор носит название вредного пространства. В данном зазоре, по завершению нагнетания, сжатый газ расширяется при обратном ходе поршня. По этой причине всасывающий клапан открывается только после снижения уровня давления до уровня давлении на всасывании. Таким образом, поршень совершает холостое движение, что снижает производительность компрессора.