Зменшення забруднення довкілля використанням палив, отриманих з відновлювальних ресурсів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Кафедра технічної експлуатації автомобілів та автосервісу

Реферат

з дисципліни «Екологічні аспекти обслуговування ТЗ»

на тему: «Зменшення забруднення довкілля використанням палив, отриманих з відновлювальних ресурсів»

Виконав:

Дермельова А. Л.

Перевірив:

Бугайчук О.С.

КИЇВ 2010

Спиртові палива

Перспективним видом палив для живлення теплових двигунів, що отримують з відновлювальних ресурсів, є спирти (метанол та етанол).

Метанол (CH₃OH) отримують гідрогенізацією (приєднанням водню) кам'яного вугілля при високому тиску в присутності каталізатора. Крім вугілля, як сировину використовують природний газ, вапняк, побутові відходи і відходи лісового господарства.

Метанол як моторне паливо, має такі основні характеристики: октанове число 104-114, нижча теплота згорання - 22 МДж/кг. Високе октанове число надає можливість використовувати метанол для живлення двигунів з іскровим запалюванням з високим ступенем стискання (до 12 - 14). У зв'язку з цим, порівняно з бензином, метанол має меншу, практично втричі, теплоту згорання, його масові витрати на одиницю виробленої енергії значно більші. Це зменшує запас ходу транспортного засобу або спричиняє необхідність значно збільшувати об'єм паливних баків. Через те, що до складу метанолу входить кисень, теоретично необхідна кількість повітря для згорання 1кг метанолу значно менша, ніж для бензину, і становить 6,52 кг/кг. У результаті енергія, що утворюється під час згорання 1 кг паливо - повітряної суміші, для метанолу і бензину приблизно однакова. Однією з особливостей метанолу, порівняно з паливом нафтового походження, є висока теплота випаровування - до 1160 кДЖ/кг, що перевищує теплоту випаровування бензину (318 кДж/кг) у 3,6 раз. Це сприяє зниженню температури суміші і збільшенню маси паливо повітряного заряду, зменшенню тепловідведення в циліндрах двигуна і температури відпрацьованих газів. Потужність двигуна з іскровим запалюванням, що живиться метанолом, на 10-15 % вища, ніж у того, що живиться бензином.

Проте висока теплота випаровування метанолу значно погіршує пускові властивості двигуна і, практично, виключає можливість запуску двигуна навіть при 0 ?С. визначилось декілька напрямів усунення цього недоліку - додавання до метанолу рідин, які легко випаровуються, таких як ізопрен, бутан, дим етиловий ефір або зріджений газ, встановлення підігрівачів після карбюратора, застосування пускової дози рідкого палива тощо.

Широке використання в експлуатаційних умовах метанолу замість бензину має такі недоліки: його пара більш шкідлива за пару бензину, гума і деякі синтетичні матеріали нестійкі до метанолу, спостерігається навіть підвищене зношування деталей двигуна . але при відповідній організації експлуатації й незначних змінах деталей двигуна використання метанолу для живлення двигуна з іскровим запалюванням є цілком реальне.

Про доцільність переведення двигунів на живлення метанолом свідчить зменшення викидів більшості шкідливих речовин з відпрацьованими газами порівняно з бензином. За умови живлення метанолом зменшується вміст NO_x завдяки нижчій температурі в циліндрах двигуна під час згорання метанолу. Вміст СО у ВГ двигуна при згоранні збагачених сумішей або обох видів пали приблизно однаковий, а при складі сумішей, що наближається до стехіометричного, для метанолу - значно нижчий, внаслідок більш повного згорання. З цієї з причини вміст C_mH_n на метанолі становить 25 - 33 % вмісту вуглеводнів на бензині. Вміст альдегідів у Г двигуна, у разі живлення метанолом, збільшується приблизно у 2 рази порівняно з бензином. Проте полі циклічних вуглеводнів, які мають канцерогенні властивості, викидається на порядок менше. Разом з тим, не утворюється сажа і відсутні сполуки сірки. Таким чином, загальна токсичність двигуна значно менша, ніж при живлення бензином.

Метанол можна використовувати і в дизелі. В цьому випадку спеціальною системою паливоподачі його подають у циліндр. Запалювання суміші метанолу і повітря забезпечується запальною дозою дизельного палива, що впорскується.

Перспективним паливом для двигунів вважається етанол (С₂Н₅ОН), який отримують, в основному, з рослинної сировини.

В Бразилії його виробляють із цукрової тростини, У США - з кукурудзи, у Швеції - з пшениці. Властивості етанолу як моторного палива близькі до метанолу. Його октанове число - 106 од., нижча теплота згорання - 25 МДж/кг. Теплота випаровування етанолу нижча, ніж метанолу, і становить близько 1000 кДж/кг. Тому пускові якості двигуна, що працює на етанол кращі.

Для живлення двигуна з іскровим запалюванням використовують або тільки етанол, або його суміш з бензином. За використання етанолу особливості роботи, енергетичні, економічні й екологічні показники двигуна близькі до показників роботи двигуна, що споживає метанол.

Використання етилового спирту надає можливість зменшити викиди з ВГ сполук свинцю, сірки, сажі, а також високомолекулярних вуглеводневих сполук, але разом з цим у ВГ зростають концентрації альдегідів.

Тому в країнах, де як моторні палива широко використовуються спирти, крім традиційно нормованих речовин, які містяться у ВГ двигунів з іскровим запалюванням, таких як СО, C_mH_n, NO_x, нормується і вміст альдегідів.

Основні альдегіди, які містяться у ВГ: ацетальдегід (СН₃СНО) - сильний подразник, що має рефлекторну дію, і формальдегід (НСНО) - сильний подразник, що має алергенні, мутагенні і канцерогенні властивості.

Альдегіди в циліндрах двигуна утворюються в початковій і в кінцевій стадіях горіння вуглеводневих палив. Тобто відповідно в зоні “холодного полум'я” та в прошарках, що знаходяться поблизу стінок камери згорання. Крім того, ацетальдегід утворюється і поза циліндрами двигуна в результаті реакції деяких видів вуглеводневих сполук з атмосферним киснем і хімічними речовинами, які містяться у ВГ.

В більшості розвинених країн з великою щільністю автомобільного транспорту концентрація ацетальдегіду в повітрі становить близько 60% загальної кількості альдегідів, які містяться в атмосфері.

Для оцінки впливу виду палива на вміст формальдегіду й ацетальдегіду у ВГ були проведені дослідження на двигуні 8Ч 9,2/8,0 (ЗМЗ-53-12) при живленні бензином і спиртом. Оцінка токсичності двигуна здійснювалася за регулювальними характеристиками за складом суміші (рис.1).

Наведені характеристики свідчать, що концентрації формальдегіду й ацетальдегіду у ВГ двигуна при живленні бензином практично не змінюються, тобто не залежать від кладу горючої суміші. Концентрації ацетальдегіду і формальдегіду у ВГ становлять 68 - 72 млн^-1. Проте, з урахуванням реакції вуглеводневих сполук в атмосферному повітрі, концентрації ацетальдегіду збільшуються практично вдвічі (крива 2) порівняно з концентраціями у ВГ (крива 1), причому зростання відбувається із зменшенням коефіцієнта надміру повітря (?).

У разі живлення двигуна етиловим спиртом вміст ацетальдегіду і ВГ дещо вищий, ніж для бензину. Його концентрації знаходяться в межах 75 - 95 млн^-1 (крива 1), а внаслідок реакції в атмосферному повітрі вони зростають до 100-115 млн^-1, тобто на 20 - 25 % (крива 2).

Вміст формальдегіду У ВГ двигуна при живленні етиловим спиртом менший, ніж при живленні бензином, практично в 8 - 10 разів. При цьому концентрації формальдегіду не перевищують 8 - 10 млн^-1.

Концентрації С_mH_n у ВГ двигуна, що споживає спирт, менші, ніж при споживанні бензину, а концентрації СО - практично однакові.

У складі однакового складу горючої суміші концентрації NO_х у відпрацьованих газах двигуна, що споживає спирт, дещо нижчі, ніж при живленні бензином. При цьому максимум концентрації NO_х у ВГ зміщується у бік бідніших сумішей.

Рис. 1. Характеристика за складом суміші двигуна 8Ч 9,2/8,0 (ЗМЗ-53-12) при живленні бензином і етиловим спиртом (n=2000 хв^-1, ?р_к=30 кПа)

За експериментальними даними (рис.1) були розраховані масові викиди шкідливих речовин та сумарні викиди, зведені до СО.

На рис. 2 показані залежності годинних масових викидів G_i ШР з ВГ двигуна. Межі зміни мас G_i ШР у ВГ, доволі широкі. Вони змінюються від декількох кг/год (наприклад, G_СО при ? < 1) до декількох г/год (наприклад, G_НСНО при живленні двигуна спиртом). З характеристик видно, що масові викиди оксиду вуглецю G_СО при живленні двигуна обома видами палив практично однакові. Масові викиди вуглеводнів G_СН при живленні двигуна бідними горючими бензоповітряними сумішами (? > 1,1) значно вищі, ніж при споживанні етилового спирту. Масові викиди оксидів азоту G_NOx у ВГ при живленні двигуна бензином за багатих сумішей (? < 1,1) вищі, а за бідних (? > 1,1) - нижчі, ніж при використанні етилового спирту.

Рис. 2. Масові викиди шкідливих речовин двигуна 8Ч 9,2/8,0 (ЗМЗ-53-12) n=2000 хв^-1, ?р_к=30 кПа:

-?-?-?- - бензин -о-о-о- - етиловий спирт

Маса формальдегіду G_НСНО, що міститься у ВГ двигуна при живленні етиловим спиртом, практично на порядок менша, а маса ацетальдегіду G_СНзСНО, в середньому на 25 % вища порівняно з двигунами, що споживає бензин.

В сумарних масових викидах, зведених до СО, G_?(СО) найбільша маса окремого компонента припадає на оксид азоту G_NOх(СО). За будь-яких складів горючої суміші для обох видів палив. В цілому сумарні масові викиди, зведені до СО при живленні бензином, в середньому на 20 % більші, ніж при живленні етиловим спиртом (рис. 3).

Менш вдалим, поки що, є спроби використання етанолу в дизелях. Це пов'язано, передусім, з високою температурою самозаймання низьким метановим числом етанолу. Температура самозаймання етанолу близька до 700 К, тобто на 100 К вища, ніж дизельного палива. Метанове число етанолу менше восьми одиниць, тобто в 6 разів нижче, ніж дизельного палива. Для використання етанолу в дизелях, як правило, необхідна подвійна паливна апаратура. Етанол впорскують у впускний трубопровід або камеру згорання. Запалювання здійснюється дизельним паливом. Численні дослідження токсичності дизелів при використанні етанолу показали, що за сумою шкідливих викидів токсичність відпрацьованих газів така ж, як дизельного палива.

Рис.3. Сумарні масові викиди шкідливих речовин, зведені до СО, 8Ч 9,2/8,0 (ЗМЗ-53-12) n=2000 хв^-1, ?р_к=30 кПа:

-?-?-?- - бензин -о-о-о- - етиловий спирт

Важливим показником, на який необхідно звертати увагу, замінюючи традиційні види автомобільного палива альтернативними, є токсичність ВГ. При цьому треба контролювати не лише ті викиди, що нормуються, але інші токсичні сполуки, які формуються в камері згорання або випускному тракті і можуть нанести шкоду довкіллю або здоров'ю людини. За таких міркувань добавки спиртів до палива можуть призвести до небажаних, з огляду екології, наслідків. Зокрема, добре відомий факт підвищення викидів альдегідів при додаванні метилтретбутилефіру, води і спиртів у бензин. Дослідження американських і японських спеціалістів довели, що добавки в паливо, які знижують токсичність ВГ, у свою чергу, ведуть до утворення нових токсичних речовин.

Рослинні олії

Останнім часом і в нашій країні, і за кордоном вивчають можливість заміни бензину і дизельного палива альтернативним паливом з відновлюваних джерел - таким паливом можуть бути рослинні олії. Замінником можуть бути соняшникова, кукурудзяна, соєва олії тощо. В нашій країні перевагу віддають ріпаковій олії.

Ріпак - невибаглива культура, його врожайність - 15 - 25 центнерів насіння з гектара. Шляхом екструзії (пресування) вилучається до 40 % олії від маси посівів. Більш глибока екстракція ( вилучення) дозволяє отримати до 70 % олії.

Ріпакову олію можна безпосередньо використовувати як добавку до дизельного палива або продукувати з неї метил ефір, який використовують як паливо для дизелів. Метил ефір отримують з ріпакової олії трансетерифікацією (хімічним перетворенням).

Для одержання 1000 літрів метил ефіру потрібно 1000 літрів олії, 110 літрів метанолу та 16 літрів каталізатора (гідрооксиду калію або натрію). В результаті додатково одержують 110 кг гліцерину, та відбувається часткове повернення метанолу.

Основні параметри ріпакової олії та метил ефіру наведено в табл. 1.

двигун паливо шкідливий бензин

Таблиця 1 Приблизний елементарний склад та характеристика палив

Ріпакова олія як олива для систем мащення за своїми властивостями не поступається нафтовим. Вона має цілком прийнятну температуру застигання. За антикорозійними та протизношувальними властивостями ріпакова олія перевищує нафтові оливи.

Основні технічні показники штатного дизельного палива і метилового ефіру, одержаного з ріпакової олії, наведені в табл. 2.

Таблиця 2 Показники дизельного палива і метилового ефіру

На рис. 4 показано навантажувальні характеристики дизеля Д - 243, що споживає суміш дизельного палива і ріпакової олії з 10, 20 і 30 % об'ємом вмістом, а також ріпаковий метил ефір. Для порівняння наведено навантажувальну характеристику дизеля, що живиться штатним дизельним паливом.

Як видно з характеристик енергетичні показники дизеля, що живиться дизельним паливом і його сумішшю з ріпаковою олією, практично однакові. Потужність двигуна N_e в цьому режимі становить майже 37 кВт.

Годинна G_п і питома g_е витрати палива в зоні середніх і великих навантажень при живленні дизеля сумішшю дизельного палива і ріпакової олії незначна (на 2 -5 %) більші, ніж пр. споживанні лише дизельного палива.

Температура відпрацьованих газів дизеля t_ВГ для порівнюваних палив практично однакова в усьому діапазоні навантажувальних режимів.

Живлення дизеля сумішшю ріпакової олії і дизельного палива зумовлює такий же характер змін концентрації ВГ (СО, C_mH_n, NO_х, СО₂) і димності N залежно від навантаження, як і для звичайних дизелів. Величини концентрації продуктів неповного згорання СО і C_mH_n, у разі споживання дизелем суміші, дещо відрізняються від аналогічних параметрів живлення лише дизельним паливом, проте ці відхилення перебувають у межах точності вимірювання цих параметрів і мають для дизелів незначні величини. У цьому випадку в зоні великих навантажень дещо зростають концентрації оксидів азоту NO_x, і має місце тенденція до зростання димності ВГ. Зростання димності, швидше за все пов'язане з більшою в'язкістю сумішевого палива і, як результат, погіршенням якості його розпилювання.

Рис. 4. Навантажувальні характеристики двигуна Д - 243 (n=1500 хв^-1)

Живлення дизеля ріпаковим метил ефіром суттєво збільшує годинну G_п і питому g_е витрати палива, і концентрації оксидів азоту NO_x у відпрацьованих газах зростають. Відхилення величин решти порівнюваних показників знаходяться в межах їх можливої точності вимірювання.

Тенденція до збільшення вмісту NO_x у відпрацьованих газах дизеля при споживанні суміші ріпакової олії з дизельним паливом та ріпакового метил ефіру можна пояснити тим, що в цих випадках має місце більш високе значення коефіцієнта надміру повітря через більший вміст кисню в паливі.

Викиди шкідливих речовин з продуктами згорання метил ефіру значно менші, ніж при використанні нафтового палива, особливо щодо сірки, в 70 разів.

Динамічні властивості автомобіля при переведенні дизеля з живлення дизельним паливом на ріпакову олію практично не змінюється. Витрати дизельного палива і ріпакової олії за різних швидкостей руху автомобіля не дуже відрізняються. У разі споживання дизелем ріпакової олії викиди оксиду вуглецю на один кілометр шляху, порівнюючи з дизельним паливом, дещо зростають, відповідно 2,58 і 1, 67 г/км. Вуглеводнів та оксидів азоту менше. Окрім того, ВГ такого дизеля не містять і важких металів.

Размещено на Allbest.ru