Возможные выбросы паров углеводородов и пути их предотвращения

Правильный выбор системы УЛФ позволит нефтетрейдеру полностью решить проблему с выбросами паров бензина, что будет конкретной мерой по улучшению и оздоровлению воздушной среды Москвы и Подмосковья. Той самой среды, которая не знает административно-территориальных границ и которой дышим все мы: чиновники, владельцы транснациональных корпораций, нефтетрейдеры, инженеры, автовладельцы, и просто люди.

Перспективные виды энергообеспечения АТС

Водородное топливо. Электромобили и гибридные автомобили. Гелиомобили. Применение топливных элементов.

Водород

Водород как перспективное автомобильное топливо давно привлекал внимание ученых, что обусловлено его высокими энергетическими показателями, уникальными кинетическими характеристиками, отсутствием большинства вредных веществ в продуктах сгорания и практически неограниченной сырьевой базой.

Низшая теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг (28640 ккал/кг), что превышает теплоту сгорания жидкого моторного топлива в 2,7 - 2,9 раза. В то же время объемноэнергетические характеристики невысоки из-за низкой плотности водорода.

Энергия воспламенения водорода примерно в 10 раз ниже, чем для углеводородного топлива. Пределы воспламенения по коэффициенту избытка воздуха очень широкие и составляют 0,15 - 10, что позволяет регулировать мощность двигателя путем изменения только состава смеси. Скорость сгорания водородовоздушной смеси, особенно обогащенной водородом, очень высока.

Водородный двигатель является экологически чистым, так как при сгорании водородо- воздушных смесей образуется водяной пар и исключается образование каких-либо токсических веществ, кроме оксидов азота, эмиссия которых также может быть доведена до незначительного уровня.

Получают водород в основном при переработке природного газа и нефти, в качестве перспективного метода рассматривается газификация углей под давлением на парокислородном дутье, изучается также использование избыточной энергии электростанций для получения водорода электролизом воды.

Многочисленные схемы возможного применения водорода на автомобиле делят на две группы [15]: в качестве основного топлива и добавки к современным моторным топливам, причем водород можно использовать в чистом виде или в составе вторичных энергоносителей. Водород как основное топливо - далекая перспектива, связанная с переходом автотранспорта на принципиально новую энергетическую базу. Более реально применение водородных добавок, позволяющих улучшить экономические и токсические показатели автомобильных двигателей.

Простота использования газообразного водорода сопряжена с необходимостью существенного увеличения объема и массы топливного бака. Отчасти проблемы объемно-массовых параметров топливной системы могут быть улучшены использованием жидкого водорода. Однако при этом возникает другая проблема - низкая температура водорода, в связи с чем первостепенное значение приобретает тепловая изоляция бака, а также безопасная эксплуатация топлива.

Проводились исследования использования водорода в качестве топлива на серийных автомобилях РАФ-2203 и ГАЗ-24, оборудованных криогенной системой и криобаком для жидкого водорода. Стендовые испытания показали, что автомобильный двигатель может работать практически без переделки как на чистом водороде, так и с добавками водорода к основным топливам. При этом, например, добавки 5 - 10% водорода приводят к экономии до 40% бензина и резкому снижению токсичности ОГ. Показана надежность и безопасность криогенного оборудования автомобилей; разработаны рекомендации для опытно-промышленного использования малой серии автомобилей, работающих на добавках водорода к основному топливу, на трассах Москвы.

Наибольший интерес в качестве вторичных энергоносителей представляет аккумулирование водорода в составе металлогидридов. Для зарядки металлогидридного аккумулятора через гидрид некоторых металлов при низких температурах пропускают водород и отводят тепло. При работе двигателя гидрид нагревается горячей водой или ОГ с выделением водорода. Как показали исследования, на транспортных установках наиболее целесообразно использовать комбинированную систему хранения, включающую гидриды железо-титан и магний-никель.

Объемная энергоемкость лучших гидридов приближается к уровню жидкого водорода, поэтому объем гидридного бака может быть меньше объема криогенного бака для жидкого водорода. Масса самого гидридного блока, однако, примерно в 10 раз выше по отношению к жидкому водороду из-за значительной плотности металлического носителя. Тем не менее суммарные массы гидридной и жидководородной топливных систем соизмеримы из-за большой массы криогенных баков.

Автомобиль с ДВС и гидридным аккумулятором водорода имеет большую массу и меньший запас хода по сравнению с автомобилем, работающим на бензине, но меньшую массу и больший запас хода, чем существующие и перспективные типы электромобилей. Гидридный аккумулятор не требует существенного ухода, быстро заряжается, себестоимость его ниже, а срок службы больше, чем аккумуляторных батарей. Перспективным является сочетание аккумуляторов с различными гидридными компонентами, например на основе железо-титанового сплава и сплавов магния. Низкотемпературный компонент обеспечивает запуск двигателя, а высокотемпературный, характеризующийся более высоким содержанием водорода, - его основную работу. Согласно расчетам при такой комбинации двух аккумуляторов общей массой 200 кг и суммарной вместимостью 50 - 75л пробег автомобиля при одной заправке составит около 400 км.

Достаточно разностороннее обсуждение возможности использования азотоводородного топлива (аммиак, гидразин) в качестве автомобильного приведено в монографии. Отмечено, что перспектива использования азотоводородного топлива после истощения ресурсов ископаемых топлив зависит от разработки экономичного метода синтеза его из воздуха и воды с помощью электроэнергии, вырабатываемой другим источником. При этом важную роль будет играть конкурентоспособность данного вида топлива по сравнению с другими видами топлив - заменителей бензина с учетом токсичности. Пока оценка азотоводородного топлива с помощью индекса опасности (упругость пара/ПДК) по сравнению с другими видами топлив свидетельствует не в пользу первого.

Алюминий-водородное топливо. Решить проблемы водородной энергетики позволяет другой энергоноситель, в качестве которого выбран алюминий. Алюминий - распространенный металл (8,8% от веса земной коры). В нормальных условиях он инертен, поэтому хранение и транспортировка безопасны. Производство алюминия требует больших затрат электроэнергии. Запасенную в металлическом алюминии энергию можно превратить обратно в электричество двумя способами: 1) реакцией с кислородом воздуха в топливных элементах, которые в 3-5 раз дешевле водородных; 2) извлечением с помощью алюминия из Н₂О водорода, который потом можно либо использовать в водородном топливном элементе, либо сжигать в ДВС, при этом просто решается вопрос с хранением водорода в виде Н₂О. Алюминий очень легко вступает в реакцию с О₂ и Н₂О, но этому мешает оксидная пленка, для разрушения которой к алюминию добавляют микроколичества индия или галлия. Алюминиево-водородная энергетика аналогична водородной: в ней водород как энергоноситель заменен или дополнен алюминием. Для движения автомобиля Д. Вудлом (США) предложено в бак заливать воду и засыпать в контейнер алюиминиево-галлиевый порошок (20% галлия). Автомобиль BMW "Hydrogen" требует 8кг водорода на 200км (заправка 108кг алюминиево-галлиевого порошка и 90л воды). Стоимость поездки $31,68 [4].

Азотно-водородное топливо. Недостаток биотоплива и водорода в том, что сжигание горючих веществ производится в атмосферном окислителе. Будущее олицетворяют монотоплива. Монотоплива, используемые в оборонной и космической технике, токсичны и непригодны для гражданской технологии. В США исследуется возможность применения монотоплив в наземной невоенной технике (аммиак - горючий компонент и двуокись азота - окислитель). В начале ХХIв. российские исследователи в качестве компонентов монотоплив предложили взять некоторые продукты азотной промышленности в виде совместных растворов окислитель + горючее + вода. Окислитель - аммиачная селитра NH₄NO₃, а горючее - карбамид CO(NH₂)₂. Десятки млн. тонн этих веществ заводы азотной отрасли промышленности производят в качестве удобрений. В аммиачной селитре и карбамиде содержится Н₂, О₂, С и N₂. При нагреве до 300^оС связи элементов распадаются, водород окисляется кислородом до Н₂О, в небольшом количестве образуется СО₂. Азот, сыгравший роль связующего элемента, выделяется в молекулярном виде. Хранение связанного водорода в такой топливной смеси не требует ни высокого давления, ни сверхнизких температур. Кислород, необходимый для сгорания водорода, находится в этой же смеси. Часть энергии выделяется от сгорания углерода. Выделение СО на 2-3 порядка меньше, чем в отработанных газах бензиновых двигателей. Выделение СО₂ на единицу энергии много меньше, чем при использовании нефтяного топлива. Использование азотных соединений в качестве топлива можно считать разновидностью водородной энергетики. Впервые идею использовать аммиачную селитру и карбамид как компоненты монотоплива высказал и исследовал российский инженер А.Ф. Макаров.