CC BY
253
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
УДК 62
Трофимова Галина Ивановна
канд. г.-м. наук, доцент, заместитель директора по учебной работе, доцент кафедры инженерной геологии и геоэкологии филиал ТГАСУв г. Ленинск-Кузнецкий, РФ Трофимов Николай Ильич Инженер по организации движения спецавтотранспорта,
ОАО «СУЭК - Кузбасс» ПЕ «Управление дегазации и утилизации метана», г. Ленинск-Кузнецкий, РФ Бакушкина Ирина Анатольевна Заведующая лабораторией, Кафедра углехимии, пластмасс и инженерной защиты окружающей среды,
г. Кемерово, РФ Черемисина Варвара Геннадьевна канд. пед. наук, доцент КРИПКиПРО, г. Кемерово, РФ E-mail: [email protected]
МЕТАН КАК АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ТОПЛИВО Аннотация
В статье рассматриваются альтернативные виды топлива - преимущества и перспективы использования. Определены свойства метана и разработана схема его использования в различных направлениях и отраслях.
Ключевые слова
Альтернативное топливо, метан, экология.
Производство энергии, являющееся необходимым средством для достойного существования и преобразования человечества, оказывает воздействие на природу и окружающую человека среду. Одной из наиболее крупных областей использования энергоресурсов сегодня является транспорт, на долю которого приходится около 29% общего конечного потребления всех энергетических ресурсов. В 1960-е годы энергетика практически всех развитых стран была основана на нефти. Страны Запада экспортировали в основном дешевую нефть с Ближнего Востока (стоимость около 5 $ за баррель). В 1973 г. ОАПЕК (Организация арабских стран-экспортеров нефти) наложила эмбарго на ввод нефти в США в связи с тем, что в военном конфликте Израиля с Сирией и Египтом они оказали поддержку Израилю. В связи с этим высокоразвитые страны, не добывающие нефть самостоятельно, а ввозящие ее из-за рубежа, поняли, что им необходима новая экономическая стратегия, основанная на применении альтернативного топлива. Самой уязвимой в этом отношении является транспортная отрасль, которая в 95 % случаев использует углеводородные виды топлива.
Сегодня уже практически каждый, а не только профессиональные экологи, знают о том, что основным загрязнителем окружающей среды в городах является не промышленность, а автотранспорт. По данным экологов на долю автотранспорта приходится 70-90 % загрязнений воздушного бассейна городов. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеродов. Ежегодно автомобилями выбрасывается более 20 млн. т. этих веществ. В результате величина ежегодного экологического ущерба от функционирования транспортного комплекса России составляет более
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
3,5 млрд. долларов и продолжает расти. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от автотранспортных средств увеличиваются в год в среднем на 3,1%. Именно поэтому во всем мире повышают требования к экологической безопасности автомобилей, вводят жесткие стандарты Евро-4, Евро-5, Евро-6.
Тепловое загрязнение атмосферы, загрязнение атмосферы вредными веществами и связанное с этим аномальное смещение геомагнитных полюсов Земли, вызывают потребность в увеличении количества двигателей внутреннего сгорания (ДВС), работающих на альтернативных топливах (не нефтяного происхождения). Земная орбита смещается в течение времени в соответствии с определенными циклами, но сейчас на эти циклы, и, соответственно на смещение земной орбиты, оказывает влияние повышение температуры Земли (вызывающее у нас также и климатические изменения). Тепловое загрязнение атмосферы в основном связано с выбросами в атмосферу углекислого газа (двуокиси углерода - СО2) в результате сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Основная часть солнечной энергии, которая достигает Земли, поглощается и нагревает ее поверхность. Если бы этого не происходило, то средняя температура земной поверхности была бы примерно минус 18°С. Со временем, поглощенное тепло возвращается в космическое пространство, благодаря чему Земля не перегревается. Но, когда СО2 меняет состав атмосферы, то в космос возвращается меньше тепла и Земля начинает перегреваться. От перегрева атмосферы из-за нарушения теплового баланса между падающим и отраженным солнечным излучением происходит глобальное потепление. Углекислый газ (СО2) пропускает к Земле ультракоротковолновое солнечное излучение и не пропускает отраженное от Земли длинноволновое излучение. Кроме того и оксиды азота (NOx), и парниковые газы обладают таким же свойством. Также по мере роста температуры уменьшается растворимость углекислого газа в воде (он переходит в атмосферу). Например, при температуре воздуха 0°С растворимость СО2 в воде составляет 1,7 м3, а при температуре воздуха +25°С растворимость СО2 в воде уже составляет 0,7 м3. Известно, что в глубинных слоях морей и океанов сосредоточено в 60 раз большее количество углекислого газа, чем в атмосфере, и основная часть этого растворенного в глубинных слоях углекислого газа также попадет в атмосферу при продолжении глобального ее потепления, а также и в связи со сбросом нагретых промышленно-бытовых вод в водоемы. Кроме того, потепление поверхностных слоев морей и океанов приводит к уменьшению в них количества фитопланктона, следовательно, и к уменьшению рыбных ресурсов. Удельное количество СО2, которое выделяется при сжигании различных видов топлива в расчете на 1 т топлива: каменный уголь 3,2-3,4 кг; мазут 1,9-2,2 кг; дизельное топливо 1,92-2,1 кг; бензин 1,8-1,9 кг; природный газ 1,85-1,95 кг.
Рассмотрим все существующие на сегодняшний день виды топлива (рис.1).
В структуре топливно-энергетического баланса России газ составляет 49%, нефть - 21%, уголь - 18%, древесина - 0,6%, торф - 0,05%. Таким образом, в настоящее время основными источниками топливно-энергетического баланса России являются невозобновляемые топливные ресурсы, а именно: газ, нефть и
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
уголь. Общая доля их в структуре топливно-энергетического баланса страны составляет 88%. На долю местных возобновляемых топливных ресурсов (торф, древесина) в России приходится менее одного процента. Интересна классификация топлива по агрегатному состоянию - твёрдое, жидкое, газообразное, нетипичное (таблица 1).
Использование газа как топлива для двигателей внутреннего сгорания — это фактически возвращение к истокам, ведь первый ДВС, сконструированный в середине XIX века французским инженером Ленуаром, работал именно на природном газе. И на сегодняшний день газ является самым распространенным альтернативным видом автомобильного топлива. Чаще всего, говоря о том, что автомобиль заправляется газом, имеют в виду смесь пропан-бутана, сжиженного нефтяного газа. Этот вид топлива считается более экономичным и экологически чистым, чем бензин. Заправку автомобилей пропан-бутаном проводят АГЗС (Автомобильные газозаправочные станции).
Таблица 1
Виды топлива (классификация по агрегатному состоянию)
№ Агрегатное состояние Вид Свойства
1 Твёрдое Уголь твердое полезное ископаемое черного, иногда серо-черного цвета; хрупкий горючий материал.
Торф полезное ископаемое, образованное в связи со скоплением остатков растений, которые не смогли полностью разложиться в условиях болотной среды.
Горючий сланец состоит из преобладающих минеральных (кальцит, доломит, гидрослюды, монтмориллонит, каолинит, полевые шпаты, кварц, пирит и др.) и органических частей (кероген), последняя составляет 10—30 % от массы породы и только в сланцах самого высокого качества достигает 50—70 %.
Древесина это капиллярно-пористое тело, свойства и качественные характеристики которого изменяются в зависимости от породы древесины, условий произрастания, климата, места отбора образцов для испытаний из различных частей ствола и т. д.
2 Жидкое Нефть горючая маслянистая жидкость, преимущественно темного цвета, представляет собой смесь различных углеводородов.
Синтетические материалы материалы на основе полимеров, способные под влиянием повышенных температуры и давления принимать заданную форму и сохранять ее в обычных условиях. Полимеры состоят из больших молекул, каждая из которых представляет собой особое соединение молекул-мономеров.
Спирт органическое соединение, имеющий разнообразный и обширный класс.
Эфир органическое соединение, в молекулах которых два углеводородных радикала связаны атомом кислорода.
Масло смесь жидких пахучих летучих веществ, выделенных из растительных материалов (дистилляцией, экстракцией, прессованием).
3 Газообразное Метан простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха. Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 5 % до 15 %. (газ без цвета, вкуса и запаха, является основной составной частью рудничного газа в угольных шахтах,представляющего собой смесь газов, выделяющихся в горные выработки из пород и полезного ископаемого. Составрудничного газа зависит от свойств горных пород.)
Пропан бесцветный горючий не имеющий запаха газ.
Бутан бесцветный горючий газ, со специфическим запахом, при нормальном давлении легко сжижаем от -0,5 °С, замерзает при -138 °С; при повышенном давлении и обычной температуре — легколетучая жидкость.
Водород газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.
4 Нетипичные Ядерное являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5 -2,2)-10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.
Термоядерное Разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения. Ядерные реакции синтеза - это один из источников энергии. В реакциях синтеза энергия производится за счет работы ядерных сил, совершаемых при слиянии ядер легких элементов и образовании более тяжелых ядер. Эти реакции широко распространены в природе - считается, что энергия звезд и, в том числе, Солнца производится в результате цепочки ядерных реакций синтеза, превращающих четыре ядра атома водорода в ядро гелия. Можно сказать, что Солнце - это большой естественный термоядерный реактор, снабжающий энергией экологическую систему Земли.
_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №11-3/2016 ISSN 2410-700Х_
С точки зрения современных наук, которые занимаются исследованием газа, под природными или естественными газами понимают все газообразные вещества, известные в природе. По значению в жизни человека среди природных газов выделяются горючие газы, являющиеся источником тепловой энергии, а также ряда весьма ценных химических продуктов.
Углеводородные газы образуют в подземных условиях, в горных породах крупные скопления или залежи, позволяющие извлекать на поверхность миллионы кубометров газа в сутки иногда в течение многих десятков лет. Поэтому в практике часто под природными, или естественными, газами понимают именно горючие газы.
По химическому составу горючие газы представляют собой смесь отдельных газообразных углеводородных соединений ряда алканов общей формулы СпШп+2, где n - число от 1 до 5. В атмосферных условиях газообразными углеводородами являются метан СЩ, этан С2Ш, пропан С3Н8, бутан С4Н10 и при некоторых условиях - пентан С5Н12.
Метан является основной составной частью природных горючих газов (рис.2). В смеси с другими углеводородными газами содержание метана обычно превышает 90%.
Рисунок 2 - Метан - основа природных газов
Метан представляет собой бесцветный газ в чистом виде с едва заметным чесночным запахом. Метан гораздо легче воздуха; при 15о и нормальном давлении 1м3 метана весит 0,677кг. Он обладает большой теплотворной способностью, примерно в 2,5 раза большей, чем каменный уголь.
Природный газ является одним из самых чистых ископаемых видов топлива. В основе природного газа находится метан, поэтому его продуктом горения является диоксид углерода и водяной пар, такие же соединения выделяем и мы при дыхании. В сравнении с другими видами топлива - углём и нефтью, которые состоят из более сложных органических соединений, содержащих больший объём углерода, а также больше азотистых и серных составляющих, метан при горении не выделяет таких выбросов, как продукты горения угля и нефти. Это значит, что в процессе горения уголь и нефть производят больше вредных выбросов, включая больший объём оксидов азота ^Ох) и диоксидов серы ^02). Уголь и нефть в процессе горения также создают пепел в виде мелких частиц, которые не сгорают и попадают в окружающую среду и таким образом вносят свой вклад в загрязнение окружающей среды. При горении природного газа, наоборот, происходят гораздо меньшие выбросы оксидов азота и диоксида серы, и, практически, никаких частиц пепла, а также гораздо меньшие объёмы диоксида углерода, моноксида углерода и прочих реактивных гидракарбонатов.
Метан, как альтернативное топливо, может использоваться не только в виде чистого газа (рис.3).
Метан как автомобильное топливо имеет ряд других преимуществ по сравнению со своими ближайшими конкурентами, что приближает его к понятию об идеальном моторном топливе (таблица 2).
Таблица 2
Достоинства и недостатки бензина и газа как автомобильного топлива
Метан Пропан-бутан Бензин
Не образует нагара и не разжижает моторное масло. Поршни и цилиндры изнашиваются меньше, повышается ресурс двигателя и снижается частота замены моторного масла. Не образует нагара и не разжижает моторное масло. Поршни и цилиндры изнашиваются меньше, повышается ресурс двигателя и снижается частота замены моторного масла. Образует масляный нагар, сажу, окисляет и разлагает моторное масло, разжижает его, снижая смазочные свойства.
Заправочных станций (АГНКС) крайне мало, особенно с учетом малого запаса хода Существует сеть заправочных станций (АГЗС) Разветвленная сеть заправок
Можно использовать для заправки автомобиля в том виде, в каком он находится в природе. Попутный нефтяной газ, смесь газов (пропана и бутана) в различных пропорциях: для зимы 90/10, для лета 50/50 Для получения бензина требуется переработка нефти.
Доставляется на АГНКС по газопроводу Доставляется на АГЗС в цистернах Доставляется на АЗС в цистернах
Известных запасов природного газа хватит как минимум на 200 лет. Является производным от нефти, и его запасы закончатся вместе с нефтью через 50 лет. Известных запасов нефти хватит на 50 лет.
Низкая себестоимость и стоимость. Стоимость выше, чем природного газа, но ниже, чем бензина Высокая себестоимость, которая с каждым годом становится все выше.
Высокая стоимость оборудования, которое выдерживает давление 200 атм., а также отсутствие в России специалистов и оборудования по качественному ремонту и установке газобаллонной аппаратуры Невысокая стоимость оборудования Не требует дополнительного оборудования
Невозможность хищения метана простейшими способами (ни на АГНКС, ни из баллона автомобиля) Невозможность хищения газа простейшими способами (ни на АГЗС, ни из баллона автомобиля) Бензин легко похитить и продать «налево».
Меньшее изменение свойств при низких температурах Резкое ухудшение свойств при низких температурах Меньшее изменение свойств при низких температурах
Самый высокий класс безопасности среди горючих веществ (4 класс) Самый низкий класс безопасности (2 класс) Средний класс безопасности (3 класс)
Таким образом, перспективным альтернативным топливом для ДВС является сейчас, а также останется и в будущем компримированный, причем особенно сжиженный природный газ.
Необходимо отметить, что природный газ (CNG-Compressed Natural Gas) - сжатый природный газ) может сжижаться с применением специальных установок при температурах от -162 0 С, становясь сжиженным природным газом (LNG-Liguefied Natural Gas - сжиженный природный газ). При сжижении объем природного газа уменьшается в 60 раз, что эквивалентно сжатию его до давления 60 МПа. Жидкий природный газ находится в емкости под давлением примерно 6 кгс/см2 и эквивалентен газообразному, сжатому до 60 МПа. Криогенные емкости, обычно представляют собой баки, вставленные один в другой, причем между которыми находится вакуум, а также имеется и порошковая изоляция. Сжиженный природный газ во внутреннем баке находится в сжиженном охлажденном примерно до — 162°С состоянии.
Сегодня из вышеописанных альтернативных топлив только природный газ (сжатый и сжиженный) и пока еще сжиженный нефтяной газ являются наиболее подготовленными топливами для использования в двигателях внутреннего сгорания в Российской Федерации. Следует отметить, что добыча попутного нефтяного газа, а затем получение из него сжиженного нефтяного газа при повышении давления газа до 0,81,6 МПа, примерно в 6 раз менее выгодно, чем добыча сжатого природного газа.
Свойства метана и других видов топлива для ДВС представлены в табл.3
Перевод ДВС на газовое топливо (сжатый природный газ) заключается в дополнительной установке газовой топливной аппаратуры и обычно не требует конструктивной переделки двигателя.
Рисунок 3 - Схема использования метана
Таблица 3
Характеристики топлива для двигателей внутреннего сгорания
Характеристика Единица измерения Дизельное топливо Бензин Метан
1 2 3 4 5
агрегатное состояние - жидкость жидкость газ
плотность кг/л, кг/м3 0,81 - 0,85 0,72 - 0,78 0,68 - 0,72
взрывоопасность % в воздухе на ед.объема 0,6 - 0,65 0,6 5 - 15
Продолжение таблицы 3
октановое число ^.0.№) - - 90,98 130
Теплотворная способность кДж/кг 40600 42690 38000
температура самовозгорания °С 220 257 650
стехиометрическая смесь кг/кг 14,05 14,07 17,02
Помимо стоимости, важным конкурентным преимуществом метана является бесперебойность его поставок. Этот факт в последние время по достоинству оценили предприниматели, которые уже используют метан на своем автотранспорте. При росте цен на бензин, а главное, периодически возникающем дефиците топлива на АЗС, автобусы на метане не испытывают никаких проблем ни с ценой ни с наличием топлива. Причина в том, что метан - это трубопроводный газ, который поступает к АГНКС (автомобильные газонаполненные компрессорные станции) по трубопроводу. А в трубопроводе газ есть всегда. Производительность АГНКС от 4 до 50 тысяч кубометров газа в сутки.
Кроме того, важным преимуществом метана является независимость его физико-химических свойств от низких температур. Многие сибирские владельцы автомобилей, переведенных на другой газ, используемый как автомобильное топливо - пропан-бутан или сжиженный углеводородный газ (СУГ) -сталкивались с ситуацией, когда при температуре окружающего воздуха ниже 27 градусов по Цельсию руководство заправочных станций вывешивало обращения к потребителям с просьбой ездить на резервном топливе (т.е. бензине) до повышения температуры. Метану низкие температуры не страшны.
При анализе результатов исследований токсичности автомобилей с газовыми двигателями видно, что при использовании природного газа вместо нефтяного топлива, выброс токсичных веществ в окружающую среду снижается приблизительно в 8 раз по оксиду углерода, по окислам азота — в 2 раза, по углеводородам — в 3 раза, по задымлённости - в 9 раз, а образование сажи, свойственное дизельным двигателям, просто отсутствует.
Еще одним плюсом использования природного газа является то, что он не может быть испорченным. Метан из недр земли, по сути, попадает сразу в "бак" автомобиля. Проводится только обязательная очистка и осушка на предназначенных для этого установках, т.е. сложные химические процессы отсутствуют как таковые. При разгерметизации метан улетучивается, следовательно, он безопасен. В то время как, пропан-бутан - другой газ, используемый в автомобилях, оседает, вследствие чего представляет гораздо большую опасность. В случае пожара баллоны, наполненные метаном, не взрываются, газ просто выгорает и стравливается через специальные вставки. Следует отметить, что по утвержденной Приказом МЧС № 404 от 10 июля 2009 года «Классификации горючих веществ по степени чувствительности», метан относится к наиболее безопасному 4 классу (к слабочувствительным веществам). Самый опасный по данной классификации пропан-бутан, отнесенный ко 2 классу, бензин, в свою очередь, относится к 3 классу.
В качестве моторного топлива природный газ широко используется, прежде всего в странах, имеющих собственные газовые месторождения и озабоченных проблемами энергетической и экологической безопасности и экономической стабильности. К таким странам относятся Пакистан, Аргентина, Бразилия, Индия, Китай и США. Причем в первых трех странах количество газобаллонных автомобилей на порядок превышает газовые автопарки других стран. Набирает обороты потребление природного газа и в России.
Также природный газ активно используется в Западной Европе, но здесь основная причина его использования в качестве моторного топлива - экология, цена топлива отходит на второй план. Популярность газобаллонных автомобилей в последние годы растет стремительными темпами. Если в начале XXI века во всем мире было не более 700 тыс. ГБА, то в настоящее время их уже более 10 млн. Крупнейшим поставщиком газа на западный рынок является Россия. На сегодняшний день основными поставщиками метана являются (в млрд м3): ОАО «Газпром» - 510, ОАО «НОВАТЭК» - 25, ОАО «ЛУКОЙЛ» - 14, ОАО «Сургутнефтегаз» - 12, НК «Роснефть» - 12.
ОАО «Газпром» разработало специальную программу, согласно которой занимается строительством АГНКС (Автомобильных газонаполнительных компрессорных станций) в России. Всего в стране насчитывается около 250 АГНКС, большинство из них имеют небольшую мощность и могут обслуживать небольшие автопарки. Приоритетным направлением для «Газпрома» является покупка новой техники,
работающей на газе, в первую очередь планируется обеспечить ей линейные службы.
Резкий рост в перспективе количества автомобилей (к 2017 г. — более 90 млн.) делает особенно актуальным использование альтернативных видов топлива в более широких масштабах.
Хочется верить, что грядущее поколение людей вернут Земле её первозданную красоту и чистоту. Улицы городов окажутся всецело во власти пешеходов, исчезнут клубы отработавших газов автомобилей. Коренным образом удастся усовершенствовать все виды транспорта, которые в полной мере сумеют удовлетворить постоянно возрастающие потребности в перевозках грузов и пассажиров, не угрожая при этом окружающей среде.
© Трофимова Г. И., Трофимов Н. И., Бакушкина И.А., Черемисина В. Г., 2016
УДК 633.11:620.21:502/504(470.56)
Федотов Виталий Анатольевич,
канд. техн. наук, ст. преподаватель ОГУ, E-mail: vital_asm@mail. ru Бахитов Тарген Амандыкович, канд. техн. наук, доцент ОГУ, г. Оренбург, РФ E-mail :tehpp@mail .osu.ru
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗЕРНА
Аннотация
В статье описываются способы применения современных информационных технологий в зерноперерабатывающей отрасли промышленности с целью оценки качества производимой продукции на основе зернового анализа
Ключевые слова
Зерно, качество зерна, зернопродукты
Проблема оценки качества зернопродуктов возникает на всех этапах хранения, переработки и производства зерна. Представляет интерес разработка методов определения качества зернопродуктов - муки, крупы, хлебобулочных и макаронных изделий - с помощью современных информационных технологий: оптическая микроскопия, техническое (компьютерное) зрение и т.д.
Изучение размола зерна (муки) с помощью методов оптического микроскопирования показывает, что она состоит из агломератов - клеток крахмалистого ядра и алейронового слоя эндосперма, свободных гранул крахмала, фрагментов промежуточного белка, семенных плодовых оболочек и зародыша. При этом форма частичек муки, получаемая при размоле определяется структурно-механическими свойствами зерна и сказывается на технологических качествах муки и производимой из нее продукции [1].
Неоднородность микроскопического строения и химического состава отдельных анатомических частей зерновки обусловливает различия их физико-механических свойств, что необходимо учитывать при подготовке пшеницы к помолу и переработке.
Образцы размола зерна подвергались оптическому микроскопированию (USB микроскоп) с помощью библиотеки Open Source Computer Vision Library (OpenCV) [2]. Разработаны программные средства с использованием алгоритмов технического (компьютерного) зрения: «Программное обеспечение для прогнозирования потребительских свойств макаронных изделий на основе данных гранулометрического анализа» (свидетельство о регистрации ПО № 2016660501), «Программный комплекс оценки качества
