Газомоторные топлива на основе метана. Анализ требований к качеству и исходному сырью Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

86

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Ключевые слова:

газомоторное

топливо,

компримированный природный газ, биометан, сжиженный природный газ, метановое число, теплотворная способность.

Keywords:

motor fuel, compressed natural gas, bio-methane, liquefied natural gas, methane number, the calorific value.

УДК 62-621.2; 4

Л.А. Гнедова, К.А. Гриценко, Н.А. Лапушкин, В.Б. Перетряхина, И.В. Федотов

Газомоторные топлива на основе метана.

Анализ требований к качеству и исходному сырью

Требования к моторным свойствам газового топлива, производимого на основе метана

В настоящее время в мире выпускаются около 80 моделей автомобилей, использующих в качестве газомоторного топлива (ГМТ) компримированный природный газ (КПГ), который поставляется на автомобильную газонаполнительную компрессорную станцию (АГНКС) по газотранспортной сети (ГТС). В качестве ГМТ применяют также биометан (в компримированном и сжиженном видах) и сжиженный природный газ (СПГ, в жидком и регазифицированном видах). Насчитывается более сотни заводов, вырабатывающих биометан для использования в качестве ГМТ, а в Европе функционируют более 50 заправок СПГ, снабженных колонками, осуществляющими заправку регазифицированным КПГ. Широкое применение для производства ГМТ получили попутный нефтяной газ, сланцевый газ, угольный метан (АГНКС в Кузбассе).

В будущем в качестве ГМТ возможно использование синтетического метана, получаемого синтезом из СО2 и воды с помощью энергии ветра, солнечных батарей и т.п. Так, в Финляндии разрабатывается программа применения метана из возобновляемых источников в качестве ГМТ на автомобильном, железнодорожном, водном и воздушном транспорте (на 2020-2050 гг.). В задачи данной Программы входит обеспечение к 2020 г. покрытия потребности транспорта (в том числе водного) в метане в объеме 1 млрд кВт-ч за счет использования природного газа (60 %) и метана из возобновляемых источников - биометана и синтетического метана (40 %). К 2050 г. предполагается отказаться от использования природного газа и других видов ископаемого топлива.

Указанные виды ГМТ на основе метана могут сильно различаться по компонентному составу и, соответственно, своим моторным качествам.

Взаимозаменяемость и стандартизация видов газа - проблемы мирового масштаба, актуальные не только для предприятий, производящих, эксплуатирующих или заправляющих «метановые» автомобили, но и для ГТС, особенно в странах-потребителях, где газоснабжение идет от многих источников с разными характеристиками. К примеру, в континентальной Европе в течение нескольких лет на рынок поступало около 20 сортов трубопроводного природного газа и около 15 сортов СПГ.

Стандарты на газоиспользующее оборудование, в том числе и на автотранспортные средства, работающие на КПГ, изначально были адаптированы к качеству газа, поступающего по ГТС. Поэтому помимо требований к теплотворной способности природного газа, поставляемого потребителям по ГТС, нормируются показатели, определяющие работоспособность газотранспортного и газоиспользующего оборудования (так как предельное содержание кислых газов, кислорода может вызвать коррозию; наличие капельной влаги - привести к образованию газогидратных пробок), а также показатели, определяющие моторные свойства ГМТ (определенную теплотворную способность и достаточную детонационную стойкость).

Требования к газомоторным топливам (в первую очередь к теплотворной способности), использующимся в газовых двигателях автотранспортных средств, определены Правилами ЕЭК ООН № 49 [1]. Ими регламентируется применение эталонных топлив в экспериментальном исследовании при получении «официального утверждения двигателя (семейства двигателей)» в отношении уровня выброса загрязняющих газообразных веществ, твердых частиц и дымности. В соответствии с этими Правилами во время испытаний на КПГ базовый двигатель должен либо продемонстрировать

№ 1 (21) / 2015

Современные технологии переработки и использования газа

87

свою способность адаптации к любому составу топлива (сортам, представленным на газовом рынке), либо работать только на одном из сортов топлива.

Представленные на европейском рынке сорта КПГ (высококалорийный Н-газ (от англ. high) и низкокалорийный L-газ (от англ. low) с соответствующим допуском на теплотворную

способность) при испытаниях имитируются эталонными топливами GR, G23 и G25 (табл. 1).

Таким образом, границы качества газомоторного топлива определены диапазоном теплотворной способности эталонных топлив и нижним значением детонационной стойкости эталонного топлива 75 МЧ (рассчитанным по методу AVL1).

Таблица 1

Характеристика эталонных топлив GR, G23 и G25, регламентированная Приложением 5 Правил [1]

Показатель Эталонное топливо

GR G23 G25

сорт

H H, L L

Компонентный состав:

• метан, % мольн. 84-89 92,5 ± 1 86 ± 2

• этан, % мольн. 13 ± 2 - -

• азот, % мольн. - 7,5 ± 1 14 ± 2

• инертные газы, отличные от N„ % мольн. 1 1 1

• содержание серы (не более), мг/м3 10 10 10

Низшая теплотворная способность МДж/кг 49,5 43,9 39,0

МДж/м3 39,55 33,23 30,7

Число Воббе низшее, МДж/ м3 50,2 43,4 39,2

Низшая теплота сгорания смеси, МДж/м3 3,47 3,41 3,38

Детонационная стойкость (метод AVL), метановое число (МЧ) 75,6 102 104,2

Детонационная стойкость газомоторного топлива

Одним из основных параметров, определяющих эффективность использования газа в качестве моторного топлива, является его детонационная стойкость, характеризующаяся метановым числом (по аналогии с октановым числом для бензина, ОЧ). МЧ показывает, сколько объемных процентов метана содержится в смеси метана и водорода, которая начинает детонировать при той же степени сжатия, что и проверяемый газ. Единой (общепризнанной) методики, регламентирующей условия и режимы определения МЧ, в настоящее время не существует. Поэтому МЧ, установленное по разным расчетным методикам, может отличаться на 5-8 ед. [2]. Соответственно, МЧ природного газа изменяется в широком диапазоне в зависимости от национальных стандартов стран, применяющих его в качестве ГМТ (рис. 1 а). При использовании газа из различных источников его низшая теплотворная способность (НТС) также может изменяться в значительных пределах. Например, при изменении НТС для Н-газа с 33,23 (эталонное топливо G23) до 39,55 МДж/м3 (GR), т.е. при увели-

чении ~ на 16 %, детонационная стойкость снизится с ~ 100 до 72 МЧ (рис. 1б).

Снижение детонационной стойкости газомоторного топлива, во-первых, ограничивает степень сжатия двигателя, на которой он может работать без детонации (табл. 2), и его топливную экономичность [5]. Во-вторых, приводит к снижению крутящего момента и мощности двигателя, при которой он может работать без детонации.

В табл. 3 представлены данные экспериментального исследования вынужденного уменьшения мощности двигателя DDC 50G при снижении детонационной стойкости ГМТ, оцениваемой по методу AVL и методике CARB2 (дающей значения на 5-6 ед. ниже) [6].

В работе [7] проведено исследование моторных качеств альтернативных газообразных топлив. По его результатам были определены детонационная стойкость газовых топлив,

Метод определения метанового числа газового топлива, регламентированный в стандарте на КПГ DIN 51624 (Anstalt fur Verbrennungsmotoren - AVL). Методика разработана Калифорнийским комитетом по ограничению загрязнения воздуха (California air resources board - CARB).

№ 1 (21) / 2015

88

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

§ Is

О I—^

В s

о „

о

к

ю

о

а

о

С

45

43

41

39

37

35

33

31

60

▲ • Азия ■ С. Америка “ А Ю. Америка ■ Европа • Африка _ • Австралия

■ • А

*

• X

‘V .

i • • ■ ■

- • A

70 80 90 100

Детонационная стойкость, МЧ

110

к '

л,

о t

в;

о

Н о

« к а ю Я о

42

41

40

39

38

37

36

35

Л

60

• трубопроводный газ

• СПГ

V

♦Т

70 80 90

Детонационная стойкость, МЧ

б

100

а

Рис. 1. Допустимые значения детонационной стойкости природного газа, регламентированные национальными стандартами стран, применяющих его в качестве ГМТ, (а) и низшей теплотворной способности газа, поставляемого из различных источников (б) [3, 4]

Таблица 2

Детонационная стойкость компонентов газового топлива и критическая степень сжатия

двигателя, на которой он может работать без детонации

Показатель Газ

метан этан пропан бутан

Критическая степень сжатия 15 14 12 8

Детонационная стойкость, МЧ 100 44 34 11

Таблица 3

Потеря крутящего момента и мощности двигателя DDC 50G при снижении детонационной

стойкости ГМТ на основе метана

Показатель Метод оценки Потеря мощности двигателя, %

0 5 10 15 20 25 30 35

Детонационная стойкость ГМТ, при которой начинается детонация, МЧ AVL 70,8 69,4 68,1 66,8 65,5 64,1 62,5 61,1

CARB 76,4 74,9 73,5 72,1 70,7 69,2 67,4 65,9

№ 1 (21) / 2015

Современные технологии переработки и использования газа

89

компонентный состав которых изменялся в довольно широких пределах, и критическая степень сжатия (е), при которой наступает детонация (табл. 4).

Результаты определения детонационной стойкости испытуемых образцов газов отражены на рис. 2. Наглядно показано, что наличие в газе инертного компонента СО2 в образ-

цах № 5 и 6 (38 и 40 % соответственно) существенно повышает детонационную стойкость газа (МЧ > 139, см. рис. 2а). Расчетным путем определялся теоретический эффективный коэффициент полезного действия двигателя (ц), который может быть получен при использовании топлив, имеющих различную детонационную стойкость (см. рис. 2б).

Таблица 4

Характеристики испытуемых образцов газов

№ образца Наименование образца испытуемого газа Компонентный состав МЧ Критическая степень сжатия

CH4, % н2, % N2, % CO, % CO2, %

1 Синтез-газ (из ПГ) 39,7 46,7 0,8 0,9 11,9 62,4 10,49

2 Угольный газ 0 24,8 16,3 58 1 30,0 8,42

3 Синтез-газ (древо) 10 40 3 24 23 61,5 11,39

4 Синтез-газ (древо) 1 31 35 18 15 70,2 10,33

5 Газ сточных вод 60 0 2 0 38 139,1 17,6

6 Свалочный газ 60 0 0 0 40 139,6 17,6

7 Синтез-газ (из ПГ) 1,2 30,8 49 15,6 3,4 66,3 10,91

8 Угольный газ 7 44 0 43 6 23,9 7,96

160

120

80

40

0

1 2 3 4 5 6 7 8

№ образца а

Рис. 2. Детонационная стойкость испытуемых образцов газов (а) и теоретический коэффициент полезного действия двигателя, работающего на этих образцах (б)

№ 1 (21) / 2015

90

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Минимальное значение КПД (р = 0,57) имеет образец N° 8 с МЧ = 23,9, а максимальное (р = 0,682) - образец № 5 с е = 17,6 и МЧ = 139,1; разница в КПД составляет 16,4 %. При сравнении КПД при работе на метане и образце № 8 -12 %. Детонационная стойкость газомоторного топлива на основе метана обычно лежит в пределах 70-90 МЧ, что соответствует диапазону критических степеней сжатия 12-14. Это может привести к изменению КПД двигателя на 0,62-0,65, т.е. на 4,6 %.

Влияние степени сжатия на показатели работы подтверждается исследованиями, проведенными на многоцилиндровом газовом двигателе [8]. В частности, влияние е на мощност-ные параметры работы двигателя, показатели экономичности и выбросов токсичных ком-

понентов исследовалось на двигателе Chaiyot Damrongkijkosol объемом 2 л, переоборудованном для работы на газе. Эксперименты проводились при четырех различных величинах е (9; 9,5; 10 и 10,5). При увеличении значения е с 9 до 10,5 крутящий момент двигателя возрос на 5 % (рис. 3а).

Удельный расход топлива газового двигателя при увеличении степени сжатия снижается ~ 5,5 % и имеет минимум при е = 9,5 (см. рис. 3б).

При увеличении степени сжатия процесс сгорания интенсифицируется, что приводит к снижению выбросов оксида углерода с отработавшими газами двигателя ~ на 38 %, которые достигают минимальных значений при е = 9,5 (рис. 4).

о4

ё

и

н

S

105

103

101

99

97

9,5 10

Степень сжатия, s

а

10,5

Рис. 3. Влияние степени сжатия на крутящий момент (а) и удельный расход двигателя (б)

100

80

60

40

20

0

100

72 68

62

£

О"

О

о

ft

ю

Я

m

9 9,5 10 10,5

Степень сжатия, s

Рис. 4. Влияние степени сжатия на выбросы оксида углерода с отработавшими газами двигателя

9

№ 1 (21) / 2015

Современные технологии переработки и использования газа

91

Влияние детонационной стойкости КПГ на токсичность отработавших газов газовых двигателей было изучено М. Фестом [9]. Исследование проводилось на пяти газовых двигателях моделей Cummins ISL G (2007), Cummins C Gas Plus (2006), John Deere 6081H (2005),

Detroit Diesel Series S50G TK (1999), Cummins C Gas (1998) (рис. 5, 6).

Приведенные данные показывают, что практически на всех типах двигателей выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами с увеличением МЧ снижаются.

Детонационная стойкость, МЧ

С Gas С Gas Plus 6081 Н S50GTK ISL G

Рис. 5. Удельные выбросы окислов азота двигателей при работе на образцах газа с различной детонационной стойкостью

Детонационная стойкость, МЧ

С Gas С Gas Plus 6081 Н S50GTK ISL G

Рис. 6. Удельные выбросы неметановых углеводородов (NMHC) с отработавшими газами двигателей при работе на образцах газа с различной детонационной стойкостью

Требования производителей газовых двигателей автотранспортных средств к качеству КПГ

Производители газовых двигателей автотранспортных средств изначально ориентируются на качество природного газа, поставляемого по ГТС в регионы их эксплуатации. В настоящее время система управления двигателем выполнена на базе микропроцессорной техники и имеет определенные возможности адаптации. Обычно она снабжена датчиком детонации, что позволяет за счет увеличения угла опережения зажигания, управления дроссельной заслонкой

работать на ГМТ с более низкой детонационной стойкостью. Системы нейтрализации отработавших газов снабжены датчиком кислорода (лямбда-зондом), что позволяет поддерживать оптимальный режим работы нейтрализатора при изменении качества КПГ. В странах Европы, где на рынке представлено два сорта КПГ, фирма Volkswagen выпускает двигатели, способные адаптироваться к КПГ с высокой и низкой теплотворной способностью.

Требования производителей газовых двигателей автотранспортных средств к качеству КПГ (на примере США) представлены в табл. 5 [10].

№ 1 (21) / 2015

92

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Таблица 5

Рекомендуемые показатели качества КПГ некоторых производителей газовых двигателей в США

Компоненты, показатели Производители газовых двигателей/марка

CAT (двухтопливный) Cummins Deere Detroit Мack

Метан, % об. (не менее) 88,0 90 88 85

Этан, % об. (не более) 6,0 4 6 11

С3+, % об. (не более) 3,0

Пропан, % об. (не более) 1,7 5 1,7 9

C4+, % об. (не более) 0,7 0,3

С6+, % об. (не более) 0,2

Бутан, % об. (не более) 1 5

C2 + C3 + C4, % об. (не более) 11

Инертные газы, % об. (диапазон/не более) N, 1,5—4,5 3,0 2

CO2 3

Кислород, % об. (не более) 1,0 0,5

Водород, % об. (не более) 0,1 0,1 0,1

CO, % об. (не более) 0,1 0,1

Сера, ррп1, масс. (не более) 10 10 22

Метанол, % об. (не более) - - - 0 -

CO2 + N, + O2, % об. (не более) 4,5

Число Воббе, МДж/м3 48,46-51,33 47,7-51,06

Моторный метод, октановое число, ОЧ (не менее) 118 115

Метановое число, МЧ (не менее) 80 (стандартные двигатели); 65 (для адаптивных)

Низшая теплотворная способность (не менее) 43,7 МДж/кг (для адаптивных) 33,74 МДж/м3

Высшая теплотворная способность, МДж/м3 36,3 (стандартные двигатели)

Качество КПГ на мировом газомоторном рынке нормируется следующими стандартами:

• ISO 15403 «Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles» (международный стандарт);

• ГОСТ 27577-2000 «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания. ТУ» (стандарт РФ);

• J1616 1994 «Surface vehicle recommended practice - recommended practice for compressed natural gas vehicle fuel» (стандарт США, разработанный SAE (обществом автомобильных инженеров));

• SAE J1616 (стандарт США);

• CARB (спецификация на КПГ, США, Калифорния);

• DIN 51624 «Automotive fuels Natural Gas - requirements and test procedures» (стандарт Германии);

• Legge 14 novembre 1995 № 481. «Disposizioni generali in tema di qualita del gas natural» (стандарт Италии, устанавливающий нормы на сетевой природный газ, используемый для производства КПГ);

• Regulation of the Polish Ministry of Economy on the quality requirements for compressed natural gas (CNG) (стандарт Польши);

• GB 18047-2000 «Compressed natural gas as vehicle fuel» (стандарт Китая);

• SS 15 54 38 «Motor fuels. - Biogas as fuel for high-speed otto engines» (стандарт на компримированный биометан, применяющийся в качестве моторного топлива (типы A и B); разработан Шведским институтом стандартизации, принят 15.09.1999 г. и является общепризнанным в европейских странах);

• PCD 3 (2370)C «Compressed natural gas (CNG) for automotive purposes. Specification» (стандарт Индии);

• PNS 2029:2003 «Natural gas for use as a compressed fuel for vehicles - Specification» (стандарт Филиппин);

• 10K/34/DDJM/1993 (decree of Oil and Gas Director General, dated February 1, 1993) (стандарт Индонезии).

Подходы к нормированию качества КПГ, применяемого для транспортных средств,

№ 1 (21) / 2015

Современные технологии переработки и использования газа

93

отраженные в национальных стандартах, обобщены в международном стандарте ISO 15403. Первая часть стандарта ISO 15403-1 устанавливает требования к показателям природного газа, обеспечивающие безопасную и безотказную работу газонаполнительного оборудования и газоиспользующей аппаратуры транспортного средства. Вторая часть стандарта ISO 15403-2 устанавливает требования к количественным значениям параметров, нормирующих качество природного газа как топлива для транспортных средств.

Важным требованием эксплуатационной безопасности к газовому топливу является требование низкого содержания воды, присутствие которой в комбинации с кислыми компонентами (H2S и СО2) может привести к коррозии газового баллона (что в сочетании с циклическим изменением давления (заправка -потребление) может вызвать рост трещин стенок баллона и обусловить их повреждения и разрушения). Кроме того, конденсация воды в жидкую или твердую фазы либо образование газовых гидратов могут вызвать засорение топливной системы. Таким образом, точка росы по водной фазе на выходе газового топлива из АГНКС или передвижного автогазозаправщика должна быть ниже самой низкой температуры, при которой будут работать заправочные станции и автомобили. Значение максимального содержания воды в газе, до которого следует осушить газ на АГНКС (при максимальном давлении баллона), определяется с учетом региональных климатических условий.

Тяжелые углеводороды, содержащиеся в природном газе в газообразном состоянии, при давлениях и температурах, характерных для применения КПГ, могут конденсироваться, что может вывести из строя компрессор и образовывать двухфазную смесь. Это приведет к нарушению дозирования газа форсунками двигателя и окажет отрицательное влияние на его работу. Все резиновые компоненты также подвергаются неблагоприятному воздействию конденсата тяжелых углеводородов. ISO 15403 ограничивает образование жидкой фазы С3+ (при максимальном давлении КПГ и наименьшей температуре окружающей среды) величиной не более 1 %.

Серосодержащие соединения могут вызвать коррозию металлических частей оборудования. Ограничение содержания общей серы снижает токсичность выхлопных газов

и позволит избежать кислотного отравления катализатора нейтрализации выхлопных газов. Как показано в табл. 5, производители газовых двигателей CAT и Cummins ограничивают содержание серы в КПГ на уровне 10 ppm (10 мг/кг), что соответствует современным требованиям Евро-5 к содержанию серы в моторном топливе [6].

Метанол может вызвать коррозию баллонов с природным газом и повреждения компонентов топливной системы. По ISO 15403 не допускается добавлять метанол в природный газ на газонаполнительных станциях. Природный газ для автомобиля не должен содержать гликоля или метанола.

Топливо не должно содержать твердых частиц. Возможное содержание масла в природном газе не должно оказывать негативного воздействия на надежность работы автомобиля. Рекомендуется использовать фильтры на линии подачи топлива в транспортное средство. Важно, чтобы в баллоны сжатого газа не попадали частицы пыли.

Следует отметить, что с этой целью стандарт США на КПГ SAE J1616 рекомендует устанавливать фильтры с допустимыми величинами частиц механических примесей:

• на соединитель для заправки - 40 мкм;

• инжекторную систему и регулятор -5 мкм;

• инжекторы - 1 мкм.

Допустимая величина частиц механических примесей, устанавливаемых стандартом ISO 15403-2 (в зависимости от занимаемого места в системе подачи газа), составляет от 400 (на входе) до 1 мкм (перед инжекторами).

Сравнение основных показателей КПГ, нормируемых стандартами различных стран, отражено в табл. 6.1 и 6.2. Показатели условно объединены в три группы:

• физико-химические свойства;

• горючие компоненты;

• негорючие компоненты, примеси.

В первой группе, определяющей основные показатели, характеризующие моторные качества топлива, наиболее часто тем или иным образом нормируются теплотворная способность и/или число Воббе. В стандартах ГОСТ 27577-2000, DIN 51624 и SS 15 54 38 регламентируется минимально допустимый уровень детонационной стойкости КПГ, определяемый по октановому и метановому числам (рассчитываемым по компонентному составу).

№ 1 (21) / 2015

Nb 1 (21) / 2015

Сравнение показателей КПГ, нормируемых стандартами различных стран

Таблица 6.1

Показатели КПГ ГОСТ 27577-2000 ISO 15403 DIN 51624 Legge 14 novembre 1995 №481 Regulation of the Polish Ministry of Economy SS 15 54 38, тип

Г-газ Н-газ A В

Физико-химические свойства Плотность абсолютная, кг/м3 0,72-0,91

относительная (по воздуху) 0,55-0,7 0,555-0,8

Детонационная стойкость (расчетная) ОЧ > 105 130

мч >70

Число Воббе, МДж/м3 43,6М6 25-50 44,7M6,4 43,9M7,3

Теплотворная способность МДж/кг >39 >46 34,9^15,4

низшая, кДж/м3 >31800

Горючие компоненты Метан, % об. (не менее) 80 97±1 97±2

Этан С2Н6, % об.

Пропан C,HS, % об. 6 5,8

Бутан С4Н10, % об. 2 1,8

Пентан С5Н12, % об. 1

Гексан и высшие углеводороды, % об. 0,5

Водород, % об.

Суммарная доля высших углеводородов, % об. Менее 1 % в жидкой фазе 12

Точка росы (углеводороды), °С Без конденсата 0

Негорючие компоненты, примеси (не более) Содержание кислорода 02, % об. 1 3 0,6 0,2 1

Двуокись углерода СО„ % об. 3 3

Общее содержание (С02 + N2), % об. 15

Масло из компрессора, ppm 70-200 Отсутствует

Содержание ртути, мкг/м3 30

Частицы размером более 5 мкм, мг/м3 Бортовые фильтры 1^Ю0 мкм Отсутствуют 1 1 MKM

Массовая доля механических примесей, мг/м3 1

Суммарная доля негорючих компонентов, % об. 7 4 5

Вода точка росы, °С -5 T-5

содержание воды, мг/м3 (мг/кг) 9 30 (40) 30 32

Сера меркаптаны, мг/м3 (мг/кг) 36 (8) 15,5

сероводород H2S, мг/м3 (мг/кг) 20 (7) 6,6 7

массовая доля общей серы, мг/м3 (мг/кг) 120 (10) 150 40 23

Научно-технический сборник - ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

Nb 1 (21) / 2015

Таблица 6.2

Сравнение показателей КПГ, нормируемых стандартами различных стран

Показатели КПГ SAE Л616Т994 CARB GB 18047-2000 PCD 3 (2370)С PNS 2029:2003 10К/34/ DDJM/1993

Физико-химические свойства Плотность относительная 0,56-0,89

Детонационная стойкость (расчетная) ОЧ

мч 90

Число Воббе, МДж/м3 48,5-52,9 >51

Теплотворная способность (высшая), кДж/м3 > 31400 44000

Горючие компоненты Метан, % об. (не менее) 88 90 85 62

Этан С2Н6, % об. 6 8

Пропан C3HS, % об. С3+ - 3 % С3+ - 4 % 12 8

Бутан С4Н10, % об. 4 4

Пентан С5Н12, % об. 4

Гексан и высшие углеводороды, % об. 0,2 0,5

Водород, % об. 0,1 0,1 0,1

Суммарная доля высших углеводородов, % об. Менее 1 % в жидкой фазе 0 °С при Т> 6 °С 15 °С при Т> 20 °С

Точка росы (углеводороды), °С Без конденсата

Негорючие компоненты, примеси (не более) Содержание кислорода 02, % об. 1 0,5 1 1 0,2

Двуокись углерода СО„ % об. 3 0,1 3,0 3 4 5,0

Общее содержание (С02 + N2), % об. 1,5-4,5 2

Масло из компрессора, ppm 0,2 % об.

Содержание ртути, частей на млн об. 9

Частицы размером более 5 мкм, мг/м3 Отсутствуют Отсутствуют Отсутствуют

Вода точка росы, °С На 5, 6 °С ниже самой холодной температуры региона эксплуатации На 5 °С ниже самой холодной температуры региона эксплуатации 0 °С при Т> 6 °С 15 °С при Т> 20 °С

содержание воды, мг/нм3 (% об.) 5 (0,035)

Сера меркаптаны, мг/м3 2

сероводород H2S, мг/м3 (мг/кг) 15 2 (14)

массовая доля общей серы, мг/м3 (мг/кг) 23 (16) 200 6 23

СЛ

Современные технологии переработки и использования газа

96

Научно-технический сборник • ВЕСТИ ГАЗОВОЙ НАУКИ

В GB 18047-2000 и ISO 15403 этот параметр не нормируется, но приводятся расчетные методики для подсчета ОЧ и МЧ. В некоторых стандартах нормируется плотность газа.

Во второй группе показателей наиболее часто регламентируется содержание инертных газов, метана, пропана и бутана в КПГ.

Содержание инертных газов (СО2, N2 и О2) в КПГ нормируется в 11 из 12 рассмотренных стандартов.

Обычно содержание СО2 не превышает 3 %, а максимальный уровень (5 %) установлен стандартом 10K/34/DDJM/1993. Следует отметить, что данный стандарт ориентирован на использование для КПГ местного природного газа, содержащего большое количество инертных компонентов и относительно малое количество метана, а для обеспечения требуемой теплотворной способности в нем оставляют большое количество высших углеводородов.

Компонентный состав горючих компонентов КПГ нормируется в 6 из 12 рассмотренных стандартов.

Содержание метана в КПГ составляет, как правило, 85-99 % (минимально допустимые содержания СН4 установлены стандартами DIN 51624 (80 %) и 10K/34/DDJM/1993 (62 %). В частности, в Индонезии природный газ содержит малое количество метана; в Германии на заправочных станциях с L-газом содержание метана близко к 80 %. Для других стан, в природном газе которых нет большого количества инертных компонентов, содержание метана составляет от 85 (Филиппины) и 88 % (Калифорния).

Список литературы

1. Правила ЕЭК ООН № 49 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей, работающих на природном газе...» (пересмотр 4; поправки серии 05; введ. 3.02.2008 г).

2. Гнедова Л.А. Проблемы оценки детонационной стойкости КПГ / Л.А. Гнедова, К.А. Гриценко, Н.А. Лапушкин и др. // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 5.-

С. 53-56.

3. An emission and performance comparison of the natural gas Cummins Westport Inc. C-Gas Plus versus Diesel in heavy / SAE paper 2002-01-2737.

Максимальное содержание этана в КПГ ограничивается стандартом PCD 3 (2370)C (8 %) и спецификацией CARB (6 %).

Максимальный уровень содержания пропана в КПГ установлен стандартами PNS 2029:2003 (12 %), 10K/34/DDJM/1993 (8 %), DIN 51624 (6 %) и Regulation of the Polish Ministry of Economy. (5,8 %).

Максимальный уровень содержания бутана в КПГ установлен стандартами PNS 2029:2003 (4 %) и 10K/34/DDJM/1993 (4 %). Климатические условия этих стран позволяют иметь высокий уровень содержания пропана и бутана в КПГ без его выпадения в жидкой фазе. Содержание бутана в КПГ стандартами других стран ограничено уровнем 1,8-4 %.

Содержание пентана в стандартах DIN 51624 и 10K/34/DDJM/1993 ограничено уровнями 1 и 4 % соответственно.

Гексан и высшие углеводороды ограничены уровнем 0,2-0,5%.

Допустимое содержание водорода регламентируется на уровне 0,1 %.

На основании проведенного анализа можно сделать однозначный вывод, что наилучшие экологические и технико-экономические показатели работы двигателя достигаются при работе на ГМТ с высокой детонационной стойкостью.

Параметры газомоторного топлива должны лежать в пределах, определенных нормативами на КПГ. Так, при высоких величинах теплотворной способности может наблюдаться перегрев двигателя, при низких - недобор мощности.

4. Nitschke-Kowsky P. Мethane number -

an important parameter for natural gas quality: Ruhrgas present / P. Nitschke-Kowsky // CEN/BT WG197. - 110215.

5. Caterpillar gas engines G3600-G3300l: application and installation guide. Fuels. l. Fuel systems / Caterpillar. - USA: Caterpillar, 2007.

6. Chiu J.P. Paper study on the effect of varying fuel composition on fuel supplied to Detroit diesel gas engines: final report / J.P. Chiu; SwRI®; Project № 03.32.40.10646. - Мarch 15, 2005.

7. Мalenshek М. Мethane number testing of alternative gaseous fuels / М. Мalenshek,

D.B. Olsen // Fuel 88. - 2009. - P 650-656.

№ 1 (21) / 2015

Современные технологии переработки и использования газа

97

8. Damrongkijkosol Ch. An experiment study on influence of compression ratio for performance and emission of natural gas retrofit engine /

Ch. Damrongkijkosol. - www.gits.kmutnb.ac.th/.../ isbn9741908709

9. Feist М. Fuel composition testing using cummins: final report / М. Feist, J. Deere;

Detroit diesel natural gas engines; SwRI®;

Project № 03.13721. - April 2009.

References

1. The UNECE Regulation № 49. Uniform instructions concerning the certification of vehicles with compression-ignition engines which with regard to the emission of pollutants operate on natural gas, as well as... / 4th rev.; amend. 05 ser.; intr. 03.02.2008.

2. Gnedova L.A. Problems of the compressed natural gas knock value estimation / L.A. Gnedova,

K.A. Gritsenko, N.A. Lapushkin et al. // Transport na al’ternativnom toplive. - 2011. - № 5. -

P. 53-56.

3. An emission and performance comparison of the natural gas Cummins Westport Inc. C-Gas Plus versus Diesel in heavy / SAE paper 2002-01-2737.

4. Nitschke-Kowsky P. Methane number - an important parameter for natural gas quality: Ruhrgas present / P. Nitschke-Kowsky // CEN/BT WG197. - 110215.

5. Caterpillar gas engines G3600-G3300l: application and installation guide. Fuels. l. Fuel systems / Caterpillar. - USA: Caterpillar, 2007.

6. Chiu J.P. Paper study on the effect of varying fuel composition on fuel supplied to Detroit diesel gas engines: final report / J.P. Chiu; SwRI®; Project № 03.32.40.10646. - March 15, 2005.

10. Hien Ly. Effects of natural gas composition variations on the operation, performance and exhaust emissions of natural gas: conf. paper /

Ly Hien // Powered vehicles NGV-2002. Effects of gas composition. - Aug. 2002. - www.iangv.org

7. Malenshek M. Methane number testing of alternative gaseous fuels / M. Malenshek,

D.B. Olsen // Fuel 88. - 2009. - P. 650-656.

8. Damrongkijkosol Ch. An experiment study on influence of compression ratio for performance and emission of natural gas retrofit engine /

Ch. Damrongkijkosol. - www.gits.kmutnb.ac.th/.../ isbn9741908709

9. Feist M. Fuel composition testing using cummins: final report / M. Feist, J. Deere;

Detroit diesel natural gas engines; SwRI®;

Project № 03.13721. - April 2009.

10. Hien Ly. Effects of natural gas composition variations on the operation, performance and exhaust emissions of natural gas: conf. paper /

Ly Hien // Powered vehicles NGV-2002. Effects of gas composition. - Aug. 2002. - www.iangv.org

№ 1 (21) / 2015