Е.С. Шаньгин,
д.т.н., проф., гл. спец. по научной работе
ЧОУ «Межотраслевой институт» (г. Уфа)
E-mail: shangines25644@mail.ru
Реферат
Рассматривается вопрос утилизации попутного нефтяного газа путём использования его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Наибольший эффект даёт перевод на газ дизельного двигателя, который можно осуществить двумя альтернативными способами.
Ключевые слова: попутный нефтяной газ, утилизация газа, двигатель внутреннего сгорания, дизель на газовом топливе
Gas safety
E. S. Shanguin
Chief expert on scientific work at the Interindustry Institute,
Dr. of Sci. (Tech.), Professor, Ufa
Abstract
The issue of utilization of associated petroleum gas by using it as fuel for internal combustion engines is considered. The greatest effect is the transfer to gas of a diesel engine, which can be carried out in two alternative ways.
Keywords: associated petroleum gas, gas utilization, internal com-bustion engine, gas-fueled diesel.
По мере ужесточения требований к нефтедобывающим предприятиям, касающихся сохранения природы, встаёт вопрос о том, как с пользой для народного хозяйства и с минимальным отрицательным результатом распорядиться попутным нефтяным газом, который всегда присутствует при нефтеизвлечении. Ситуация осложняется тем, что количество этого газа, как и его состав, не являются величиной постоянной, что затрудняет его использование в качестве топлива или сырья для дальнейшей переработки. Ещё более значимым является запрет на его сжигание в факелах. Куда же девать попутный нефтяной газ?
Основным компонентом попутных нефтяных газов является метан (до 90 %). Его характеристики как топлива свидетельствуют о том, что это самый чистый из используемых для сжигания ископаемых. Его теплотворная способность 33,07 МДж/м3, температура воспламенения 650°С, точка замерзания минус 184°С [1, 2].
Метан используется в качестве топлива для отопления жилых и производственных помещений, в кухонных газовых плитах, а также в оргсинтезе для получения полимеров.
Метан наиболее приемлем как топливо для стационарных условий, поскольку продукты его сжигания не содержат вредных веществ, это в основном углекислый газ и водяной пар. Поэтому возникла мысль применить метан в качестве топлива для автомобилей.
Проблема загрязнения воздуха над городами продуктами выхлопа двигателей внутреннего сгорания встаёт в полный рост с увеличением городского парка автомобилей. Исследование состава выхлопных газов позволило выявить около 200 вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. Попытки решить проблему путём каталитического дожигания угарного газа до двуокиси углерода только маскирует токсичность выхлопа, поскольку кроме угарного газа в выхлопных газах содержатся окислы азота, образующиеся при высокой температуре горения топливовоздушной смеси. Перевод автомобильных бензиновых двигателей на метан, сначала частично, совместно с бензином, затем полностью, позволяет уменьшить токсичность выхлопа по угарному газу, но никак не избавляет от окислов азота [3]. Одним из способов уменьшения токсичности выхлопа двигателей применима организация горения топлива в среде инертных газов, например, водяного пара [4, 5]. При этом неважно, на каком топливе работает двигатель – бензине или газе. Главный вывод – перевод бензиновых двигателей на газ возможен, выгоден и достаточно просто реализуем.
Несколько сложнее обстоит дело с переводом на метан дизельных двигателей, хотя именно они определяют эффективность газового топлива, поскольку обладают повышенной удельной мощностью и высоким КПД. Существует два основных аспекта целесообразности перевода дизельного двигателя на газовое топливо, в основном это касается грузового автотранспорта.
Первый аспект – экономический. Из-за разности стоимости дизельного и газового топлива переводить дизельный двигатель на газ выгодно. Например, на конец 2016 г. стоимость 1 литра дизтоплива составляла 29,3÷34,5 руб., стоимость 1 литра пропан-бутана составляла 11,5÷12,5 руб. стоимость 1м3 метана составляла 9,5 руб.
Вторым аспектом является уменьшение токсичности выхлопных газов при переводе дизеля на газовое топливо. Особенно заметно уменьшаются дымность выхлопа и содержание твёрдых частиц (сажи).
Сложность перевода дизеля на газовое питание заключается в разности температур воспламенения дизельного топлива и метана. При сжатии воздуха в цилиндре происходит его адиабатический нагрев до 400÷450°С. Для воспламенения дизельного топлива этой температуры вполне достаточно, поскольку оно начинает гореть при 350°С. Но простую замену дизельного топлива на метан осуществить невозможно, потому что метан воспламеняется при 650°С.
На практике используются два принципиально различающихся способа перевода дизельных двигателей на питание газовым топливом.
Первый способ – переоборудование дизельного двигателя в двигатель внутреннего сгорания с воспламенением газовоздушной смеси от искры (полное замещение топлива).
Данный способ достаточно радикальный и связан со значительным изменением конструкции базового двигателя. При этом с двигателя демонтируют дизельную топливную аппаратуру, уменьшают степень сжатия до 11÷14 единиц, устанавливают систему зажигания, топливоподающую газовую систему и газовые баллоны.
В результате двигатель работает на газовом топливе, которое имеет стоимость ниже, чем дизельное топливо. Экологические параметры отработавших газов модернизированного дизеля, как правило, выше исходного двигателя, мощностные параметры находятся на одном уровне с базовым двигателем.
После переоборудования двигатель уже не может больше работать на дизельном топливе, обратная операция практически невозможна.
Использование газодизельного режима. В газодизельном режиме в двигатель подают два топлива – основное дизельное (но в меньшем количестве, чем в базовом), дополнительное – газовое (топливо для замещения). При этом основное дизельное топливо играет роль «запальной» дозы для воспламенения интегральной воздушно-газовой топливной смеси. Важным моментом при использовании газодизельного режима является тот факт, что возможен переход на исходный дизельный режим в любой момент времени, как правило, переключатель режима находится в кабине водителя (см. рис.).
Для перевода работы двигателя с дизельного топлива на газ достаточно установить форсунку 14 в режим подачи минимального количества топлива и зафиксировать её в этом положении. Все остальные части топливной системы работают в штатном режиме. Затем открывают вентиль баллона 2 и подают газ в регулятор 11, приводимый в действие педалью 12. Газ поступает во впускной коллектор через трубку 3 и вместе с потоком воздуха попадает в рабочий цилиндр.
 |
После сжатия воздушно-газовой смеси в цилиндре повышается температура и остаётся только инициировать её горение. Для этого в цилиндр через форсунку 14 впрыскивается минимальная порция дизельного топлива, играющего роль запального заряда. Температура в цилиндре достаточная для воспламенения дизельного топлива, которое сгорая, поджигает газ.
Таким образом, переход дизельного двигателя на газовое питание позволяет решить несколько задач:
· снизить токсичность выхлопных газов двигателя, а при введении водяного пара в рабочий цилиндр снижение токсичности может достичь 10÷12-кратной величины;
· повысить экономичность двигателя, практически вдвое повышая пробег автомобиля на одной заправке;
· значительно (в 3÷3,5 раза) снизить затраты на топливо, повышая тем самым экономические показатели;
· одновременно решается вопрос утилизации попутного нефтяного газа.
Для реализации этих предложений необходима не только насущная потребность в очищении воздушного бассейна над городами, что уже не требует доказательств, но и административная воля к решению этой проблемы в целях достижения безопасности жизненного пространства. Будет также нелишним участие бизнеса, привлечённого быстрой окупаемостью инвестиций и непосредственной выгодой от утилизации попутного нефтяного газа. Но кроме монетарной выгоды, неоценимы социальные последствия этого процесса, позволяющего горожанам дышать чистым воздухом.
Литература:
- Справочник химика./ Редкол.: Никольский Б.П. и др. – 3-е изд., испр.- Л.: Химия. 1071. – Т. 2. – 1168 с.
- Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. «Органическая химия». – М.: «Химия». 1079. С. 203.
- Шаньгин Е.С. Спастись от автомобиля? / Бизнес-журнал Республики Башкортостан. - Уфа: № 5. 2013. С. 16-18.
- Двигатель внутреннего сгорания./ Патент RU № 2033553, кл. F02M25/022. 1995.
- Устройство для экономии топлива./ Патент RU № 2094642, кл. F02M25/032. 1997.