Возможности использования аммиака - носителя водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

При высокой степени пораженности гнилью кряжи большого диаметра более рационально раскраивать круговым способом. Пропилы при этом способе выполняют в двух и более плоскостях, что позволяет лучше использовать периферийную зону бревна.

Выводы

1. Предлагаемая мобильная лесопильная установка обеспечит переработку низкокачественной древесины на лесосеке, что повысит эффективность хозяйственной деятельности, решит проблему использования низкокачественной и короткомерной древесины.

2. Предложена технология получения радиальных пиломатериалов из низкокачественной комлевой зоны хлыста на лесосеке в береговой зоне водохранилищ.

3. Получены результаты состояния сортовых зон хлыстов сосны и лиственницы, использование их облегчит решение производственных задач, связанных с планированием и эффективным использованием объема хлыста.

4. Разработана технология лесосечных работ в перестойных древостоях сосны и лиственницы с учетом истощения лесосырьевых баз.

5. Даны рекомендации по использованию низкокачественной древесины из комлевых зон хлыстов для производства радиальных пиломатериалов и пиломатериалов общего назначения.

Литература

1. Сухих, А.Н. Использование низкокачественной древесины для производства пиломатериалов /

А.Н. Сухих // Естественные и инженерные науки - развитию регионов: мат-лы межрегион. науч.-техн.

конф. - Братск: Изд-во БрГТУ, 2004. - 230 с.

2. Иванов, В.А. Переработка растительного сырья и утилизация отходов: сб. тр. / В.А. Иванов, Е.М. Руно-

ва, А.Н. Сухих. - Красноярск: Изд-во КГТА, 1995. - Вып. 2. - 267с.

----------♦--------------

УДК 546.171.1:621.43 Л.Г. Ковалев, С.В. Захаров

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АММИАКА - НОСИТЕЛЯ ВОДОРОДА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В статье рассмотрена перспективность использования аммиака как носителя водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Приведены основные достоинства и недостатки аммиака как топлива для двигателей внутреннего сгорания. Представлены результаты теоретических исследований процесса диссоциации аммиака с получением водорода.

Поиск новых источников энергии становится в последнее время все более актуальным. По прогнозам ученых, запасы природного горючего - нефти и природного газа - на земле скоро иссякнут. К примеру, в России (где, кстати, уровень энергопотребления на единицу производимой продукции в 5-6 раз выше, чем в Америке) запасов нефти осталось всего на 20-25 лет, в США - на 15 лет, а в Ираке - на 270 лет. Поэтому большое значение приобретают альтернативные источники энергии. И наибольший интерес ученых вызывают так называемые "возобновляемые источники энергии" - солнце, воздух и вода.

Решение энергетической проблемы в будущем возможно при переходе на новые, нетрадиционные виды энергоносителей. Актуальность проблемы поиска новых энергоносителей для автомобильных и тракторных двигателей внутреннего сгорания определяется в первую очередь необходимостью строгой экономии нефтепродуктов и, во-вторых, необходимостью существенного снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Среди множества синтетических веществ только некоторые спирты, водород и аммиак удовлетворяют этим требованиям и одновременно характеризуются достаточной термодинамической, эксплуатационной совместимостью с автотракторными двигателями. Возможность использования этих продуктов в двигателях внутреннего сгорания исследовалась в начале нашего века, однако лишь современный технологиче-

ский уровень создал реальные предпосылки для их массового применения в качестве синтетического топлива для автотракторных ДВС.

По мнению большинства мировых ученых, основной альтернативой углеводородному топливу должен стать водород и наиболее перспективной считается разработка именно водородных технологий.

Переход мировой экономики на новый энергоноситель - водород - неизбежен по ряду причин, утверждают ученые и эксперты. Главное здесь - ограниченность углеводородных природных ресурсов и загрязнение окружающей среды. Оптимальным решением этих проблем является использование водородного горючего в транспортных энергоустановках.

Водород рассматривается как топливо будущего, позволяющее решить энергетические и экологические проблемы [1; 3-4]. Водород следует рассматривать как энергоаккумулирующее вещество, энергоноситель или синтетическое топливо. Он обладает большими преимуществами перед ископаемым топливом. Теплота сгорания у него почти в три раза выше, чем у бензина, а энергии для воспламенения требуется в 1,5 раза меньше. При сжигании водорода в чистом кислороде продукты сгорания абсолютно безвредны -пары воды; при сжигании в воздухе могут образовываться окислы азота, однако в меньшем количестве, чем при сжигании обычных топлив. Кроме того, при сгорании в двигателе не выделяются токсичные окись углерода, углеводороды, сажа, канцерогенные вещества.

Ресурсы водорода в природе практически неисчерпаемы, если в качестве источника использовать воду. При сгорании водорода образуется вода, которая вновь вовлекается в природный кругооборот. Разложение воды с использованием ядерной энергии и противоположный ему процесс - окисление водорода - в будущем заменят добычу и сжигание ископаемых топлив. Переводом двигателей внутреннего сгорания на водород или частичное питание водородом в нашей стране и за рубежом занимаются со времени появления двигателей.

Однако в настоящее время основными трудностями использования водорода в качестве моторного топлива являются его низкая объемная энергоемкость и потребность в криогенных системах хранения, которые очень тяжелы и занимают много места в машине. Чтобы снять эту проблему, предлагаются гидриды металлов и криогенные системы хранения водорода. Обширные исследования в этом направлении продолжаются [3].

Большой практический интерес представляет использование аммиака в качестве вторичного носителя водорода, конвертированного в некриогенную безопасную форму. Перспективность применения аммиака в качестве моторного топлива обусловлена рядом его положительных свойств. В табл. 1 приведены физические свойства аммиака в сравнении с водородом и бензином. Аммиак обладает более высокой энергоплотностью по содержанию водорода, чем газообразный, жидкий водород и гидриды металлов, но имеет меньшую теплотворную способность по сравнении с бензином.

Таблица 1

Физические свойства аммиака и водорода

Параметр Жидкий Бензин

аммиак водород

Плотность при 15 0С, г/см3 0,7 0,07 0,7-0,8

Температура, 0С:

кипения - 33,3 - 252 35 - 195

застывания - 77,7 - 259 - 80

Теплота сгорания, кДж/кг 19000 120000 44400

Объемная энергоемкость, Дж/см3 1,16 0,83 3,52

Перспективность аммиака как топлива обусловлена его относительно низкой стоимостью и практически неограниченной сырьевой базой. При полном сгорании аммиака образуется только один вредный компонент - NOx, причем его содержание незначительно. При температурах окружающей среды аммиак сжижается уже под давлением 0,6-0,7 МПа. Критическое состояние: температура Ткр =132,4 оС; давление

Рр = 11,15 МПа; плотность рр = 0,235 г/см3. В пожарном отношении аммиак относительно не опасен, так

как он плохо воспламеняется. Концентрационные пределы воспламенения аммиака с воздухом составляют 15-18% по объему, температура самовоспламенения равна 651оС.

Длительные испытания на двигателях [1] показали, что при работе на аммиаке повышенный износ наблюдается у деталей, изготовленных из цветных металлов, в особенности меди и ее сплавов. Большинст-

во нефтяных и синтетических масел почти не изменяют свои свойства при контакте с аммиаком. Условия в камерах современных дизелей и двигателей с принудительным воспламенением недостаточны для обеспечения устойчивого рабочего процесса на аммиачном топливе. Проведенные ранее исследования возможности использования аммиака в чистом виде в качестве моторного топлива выявили трудности сжигания его в двигателях внутреннего сгорания [4]. Это обусловлено высокой температурой воспламенений, малой скоростью и температурой сгорания аммиачно-воздушной смеси. Чтобы использовать чистый аммиак в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, необходимо значительное увеличение мощности искрового разряда карбюраторных двигателей, повышение степени сжатия дизелей до 35 и применение интенсифицирующих воспламенение добавок. Так, добавка небольшого количества водорода способствует улучшению сгорания аммиака и показателей работы двигателя.

Наиболее перспективным направлением использования аммиака в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорании является разложение, диссоциация его на водород и азот. Реакция диссоциации аммиака протекает с поглощением тепла и увеличением объема в два раза по уравнению

3 1

МН з —— — И 2 +— N2 — 46,3 кДж. (1)

Высокое содержание водорода в аммиаке (0,17 кг Н2 на 1 кг аммиака), небольшой вес тары для его хранения и простота переработки делают аммиак весьма перспективным для получения водорода и использования его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Получение водорода из аммиака можно записать по реакции диссоциации аммиака

2ИН3 = 3Н2 + И2. (2)

Реакция диссоциации аммиака (2) протекает с высокой скоростью в присутствии катализаторов и при относительно высоких температурах, обеспечивающих получение необходимой степени диссоциации аммиака.

Обозначим число молей, подвергшихся разложению при достижении равновесия, через X. Поскольку

исходный газ содержал 2 моля Шз, состав газовой смеси при равновесии и парциальное давление компо-

нентов характеризуются следующими данными, приведенными в табл. 2.

Таблица 2

Парциальное давление компонентов аммиака

Число молей Парциальное давление, мПа

N 2 = X 2 2 Р = X/2 р М 2 + X

И 2 = 3 X 2 2 р„ =3 */2 р Н2 2 + X

МИ 3 = 2 — X 2 — X Р = Р МРз 2 + X

Примечание. Р - давление газовой смеси, МПа; 2+Х - общее число молей в равновесной смеси.

Подставив значения парциальных давлений в уравнение, для Кр получим

Р ■ Р

* \т м,

Р

X/2 2 + X

Р3

3 X/2 2 + X

3МН3

27 Р1 16

(4 — X2)

2 — X 2 + X

Значение Кр реакции разложения аммиака находим из уравнения:

А¥° Т ( Т АС ^

= ан;8 + \ АСйг—Т а^298 + \—JLdт

4.575Т

298

где ДС Р - изменение теплоемкости участвующих газов; ДS - изменение энтропии газовой смеси;

(3)

(4)

ДF - изменение свободной энергии газовой смеси; ДН - изменение энтальпии газовой смеси.

Зная, что

Ск = 65 +1*10—3Т ёАж /(адаа* Ней ),

Р2 ’

СИ = 6,5 + 9*10~4 ОёА^/(адаа *

СМН = 8,04 + 7*10—4 Т ёАж /(адаа* Ней ),

_|0

298:

'Р

вычисляем по формуле ДН°

АСР = 3СН2 + СМ2 + 2СМН3 = 9.92 + 23*10—4 Т —10 —5 Т2.

Аналогичным образом находим ДS°298:

АS2098 = 3^Н2 + SN2 — 2^МН3 = 47,38 кДж /(град * моль),

о 0 п0 п0

где Sн2 ■ SN2, SNH3 - значения энтропии при стандартных условиях для молекул Н2; N2; NНз (31,2; 45,767;

46,01 кДж/(град-моль) соответственно).

Тогда изменение свободной энергии газовой смеси можно записать как

Т Т 9 92 Т Т

АГ0 = 22080 + |(9,92 + 23*10—4Т —10—5Т2^Т — Т(47,38 + | dT + | 23*10—4dT — |10—5TdT) =

298 298 Т 298 298

23 * 10 “4 10—5

= 22080 — 47,38Т + (Т — 298) +-----------------------^^(Т2 — 2982) —^(Т3 — 2983 — 9,92Т 1п Т — 1п298) — (5)

10 —5

■ 23 * 10—4 Т (Т — 298) +--------------Т (Т2 — 2982) = 22080 — 47,38Т + (Т — 298) * (9,92 — 23 *10—4 Т)

4 '7~т/ гр О 04 I 0 'Г7/ ГГ' 2 О 2 \ ЛЛЛОА Л1"! О О 'Т' \ С ГГ' Л'Л О О гк 1 А —4 '

2

1 0 —5

— 9,92Т (1п Т — 1п 298) + (Т2 — 2982) * (11,5 * 10 —4 + 0,5 *10 —5 Т) — (Т3 — 2983) -

3

Задаваясь различными значениями температуры подогрева аммиака и решая уравнение (5), находим значение изменения свободной энергии. Полученное значение ДF подставляем в уравнение (4) и определяем 1д Кр, После этого находим значение Кр реакции разложения аммиака по формуле

КР = 10 ■

(6)

4,575Т

Определив значение Кр, подставляем его в уравнение (3) и, принимая различные значения Р, нахо

дим Х:

16КР _ X

4

(7)

27Р2 (4 — X2)

В этом уравнении значение Кр и Р — величины постоянные, поэтому принимаем:

16’К^ = В. (8)

27 Р2

Тогда уравнение (3) примет вид:

В (4 — X2 )2 = X4 . (9)

Проведя некоторые математические преобразования, получаем:

(В — 1)* X4 — 8BX2 + 16В = 0 . (10)

Принимаем Х2=У, тогда уравнение (10) примет вид:

У2 =7-^1 * У + 7^1 ■ (11)

(В -1) (В -1)

Находим корни уравнения (11) по формуле

8В

— д/(8В )2/ (В — 1)2 — 4*16 В /(В — 1)

У = ---------------------------------------------------------. (12)

Определив значение У, находим X как X = 4у .

Состав равновесной смеси (%) определяем по следующим уравнениям:

2 - X NN 3 = *100; 3 2 + X (13)

N2 = Х/2 *100; 2 2 + X (14)

N = 3X/2 *100. 2 2 + X (15)

Произведены теоретические исследования влияния температуры и давления аммиака на степень его диссоциации.

Диссоциация аммиака в зависимости от давления и температуры приведена на рисунке.

Диссоциация аммиака в зависимости от температуры и давления:

1 - 0,01; 2 - 0,10; 3 - 0,20; 4 - 0,30; 5- 0,40; 6- 0,50; 7- 0,60 МПа

Начальную температуру катализатора и аммиака принимаем равной 640 К. Давление аммиака на входе в диссоциатор принималось равным 0,01; 0,10; 0,15; 0,20; 0,30; 0,40; 0,60 МПа. По результатам теоретических исследований диссоциации аммиака выявлено влияние температуры катализатора и давления на входе в диссоциатор на степень разложения аммиака.

Из анализа теоретических исследований следует, что при изменении давления в диапазоне от

0,01 МПа до 0,60 МПа, при температуре 1000 К степень разложения NНз достаточно полная и по остаточному аммиаку составляет 0,0122 %. т. е. разложение аммиака происходит на 99,9878%.

Снижение давления на входе в диссоциатор с 0,60 до 0,01 МПа обеспечивает улучшение разложения аммиака при одной и той же температуре. Так, при давлении 0,01 МПа содержание остаточного аммиака меньше 1 % обеспечивается при температуре катализатора 500 К, тогда как при давлении 0,60 МПа - при температуре 715 К.

Исходя из анализа результатов теоретических исследований, можно сделать следующие выводы:

- при температуре катализатора 1000 К содержание остаточного аммиака в равновесной смеси минимальное и составляет 0,0122%;

- учитывая влияние давления аммиака на степень диссоциации, диссоциатор целесообразно устанавливать на линии низкого давления после редуктора;

- результаты теоретических исследований диссоциации аммиака подтверждаются данными экспериментальных лабораторных исследований, погрешность результатов в степени диссоциации не превышает 5%.

Литература

1. Легасов В.А Водородная энергетика / В.А. Легасов // Природа. - 1977. - № 3.

2. Перспективные автомобильные топлива. - М.: Транспорт, 1982.

3. Подгорный, Л.Н. Применение водорода в качестве топлива для тепловых двигателей / Л.Н. Подгорный, И.А. Варшавский, Г.Б. Талда// Вопр. атомной науки и техники. - М.: ИАЭ АН СССР, 1978.

4. Смаль, В.Ф. Перспективные топлива для автомобилей / В.Ф. Смаль, Е.Е. Арсенов. - М.: Транспорт, 1970.

----------♦------------

УДК 634.982 Е.М. Рунова, В.А. Савченкова

ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННОГО ВОЗОБНОВЛЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ РУБОК

Соотношение способов рубок и восстановления леса - важнейший узловой вопрос, от решения которого в значительной степени зависит развитие лесного хозяйства и лесной промышленности. Однако на протяжении уже многих лет единый подход к решению этого вопроса, определяемого самой природой леса, на практике заменяется ведомственными подходами, не учитывающими принципов рационального природопользования.

Леса страны неоднородны не только по своим природным особенностям, но и по народохозяйственному значению, в связи с чем также недопустим шаблонный подход при решении вопросов о способах рубок и восстановлении леса на основе только преимуществ в затратах на них. Практически не учитываются в расчетах экономической эффективности способов рубок и восстановления леса защитные и средообразующие функции, которые выполняют эксплуатационные леса второй и третьей группы, а также реальная возможность выращивания насаждения из посаженных лесных культур в том или ином районе. При обосновании способов рубок и восстановления некоторые авторы считают, что необходимо исходить из общего соотношения затрат на лесовыращивание и получаемого при этом эффекта, причем применительно к конкретным насаждениям, а не к абстрактному древостою [8-9].

При проведении выборочных, постепенных, а также сплошных, рубок с сохранением подроста производительность труда на лесосечных работах часто ниже, чем на сплошных рубках без сохранения подроста. Однако, по мнению многих авторов, затраты, связанные с потерей производительности на лесосечных работах, значительно перекрываются затратами на лесовыращивание при создании лесных культур [1; 3].

Сохранение молодого поколения леса при сплошных рубках позволяет (в зависимости от высоты сохраненного подроста и молодняка) сократить (по сравнению с лесными культурами) не менее чем в 2-3 раза количество уходов за выращиваемыми древостоями, особенно за счет уходов за молодняками. По соотношению затрат труда и средств на рубку и восстановление леса наиболее эффективными являются сплошные рубки с сохранением подроста [2-3].

Проблема экологических последствий сплошных рубок с использованием лесозаготовительной техники в разных географических условиях освещена недостаточно полно. Имеющиеся сведения по отдельным регионам России касаются большей частью воздействия машин на почвенный и растительный покровы. Производственный опыт и исследования рубок главного пользования свидетельствуют о том, что в условиях высокоинтенсивного лесного хозяйства мало ценится и используется способность лесов к самовозобновлению.

При подготовке лесосек к рубке и в процессе их разработок уничтожается благонадежный подрост, имеющийся под пологом спелых и перестойных насаждений. Пассивное формирование естественных насаждений на вырубках ведет, как правило, к существенному затягиванию сроков лесовосстановления, смене пород [4].

Сплошные рубки вызывают, с одной стороны, усиление притока солнечной радиации из-за удаления древостоя, обусловливающее микроклиматические, почвенные и прочие экологические условия, с другой -повреждение или уничтожение (частичное или полное) лесозаготовительной техникой отдельных компонентов лесного биогеоценоза (подроста, подлеска, живого напочвенного покрова, почвы и т.д.). Поэтому влия-