CC BY
57
УДК 621.436.001
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТОПЛИВА В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В.М. Фомин1, В.Ф. Каменев2
1) Кафедра комбинированных ДВС Российского университета дружбы народов Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6.
2) Кафедра автотракторных двигателей Московского государственного технического университета «МАМИ»
Россия, 105023, Москва, ул. Б. Семеновская, 8
Анализируются способы и средства получения водорода на борту транспортного средства с ДВС. Обсуждается возможность утилизации энергии отработавших газов двигателя на основе применения реактора конверсии углеводородных топлив с низкой температурой диссоциации.
К перспективным направлениям комплексного решения проблем экономии топлива и снижения токсичных выбросов с отработавшими газами двигателей относят [1] развитие методов дальнейшего совершенствования процессов сгорания.
В качестве подобных средств могут быть использованы, наряду с хорошо изученными органическими присадками к топливу, газообразные продукты, синтезированные из углеводородных соединений, в частности водород и водородосодержащие смеси (синтез-газы).
Экспериментальные образцы конверсионных установок для получения водородосодержащих продуктов из топлив, используемых в ДВС, разработаны в НАМИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИКТИД, РУДН и в других научных центрах.
Переработка углеводородов жидкого исходного продукта в водородосодержащую газовую смесь осуществляется в специальном реакторе. В камере реактора происходит процесс преобразования тяжелых углеводородов в легкие газообразные продукты под действием высоких температур. В зависимости от условий протекания химических преобразований углеводородов (температурных, концентрационных и др.) меняется количественное соотношение целевых компонентов в конверсионных продуктах.
В настоящее время наметилось два направления в исследовании возможности получения синтез-газа: на основе конверсии моторного (базового) топлива и с использованием побочных, жидких и твердых продуктов, в т.ч. и из биомассы. В свою очередь процессы преобразования этих продуктов могут быть реализованы с применением автономных конверсионных систем (термохимические, термокаталитические, плазмохимические системы), а также непосредственно внутри рабочего пространства двигателя на базе термохимической или термокаталитической переработки топлива [2,3].
В РУДН совместно с НКИ (г. Николаев) проведены предварительные исследования по изучению возможности получения водородосодержащего газа из моторного топлива на основе плазмохимической переработки, где в качестве источника тепловой энергии для химического преобразования углеводородов использовался плазмотрон [2].
На рис. 1 приведен общий вид генератора, в котором осуществляется процесс химической переработки жидкого моторного топлива. Генератор представляет собой низкотемпературный плазмохимический реактор (температура плазменного шнура не превышает 3000°С) прямоточного типа с вводом плазмообразующей среды (воздуха) в плазмотрон через тангенциальный канал и подачей жидкого топлива поперечными струями в плазменный поток. Реакции, протекающие при смешении потоков плазмы и топлива в рабочем пространстве реактора, приводят к образованию сверхравновесных концентраций атомов и радикалов и целевых продуктов превращения углеводородов (СО и Н2), которые через специальное устройство ввода и дозирования поступают в двигатель.
Безкаталитический способ получения водородосодержащего конверсионного продукта разработан в РУДН совместно с НИКТИД [3]. Процесс преобразования моторного топлива реализуется в термохимическом реакторе (ТХР) на основе двух последовательно протекающих стадий.
На первой стадии в камере сгорания реактора осуществляется полное окисление топлива при стехиометрическом соотношении с воздухом для получения конечных продуктов сгорания С02 и паров Н20 и тепловой энергии. Последняя необходима для поддержания теплового режима процесса и компенсации эндотермического эффекта реакции между углеводородами топлива, углекислым газом С02 и парами воды (реагентами конверсионного процесса), осуществляемой на последующей стадии цикла в реакционной зоне ТХР. Схема реактора приведена на рис. 2; здесь: правая зона ТХР - камера сгорания, а левая -реакционная зона.
Рис.1. Реактор для плазмохимического преобразования моторного топлива в водородосодержащие газообразные продукты
Известны также технические решения, в которых функции газификатора жидкого топлива (реактора) выполняют, например, обособленные цилиндры двигателя, переведенные на работу в режим предварительного термохимического преобразования топлива [6].
Однако на пути развития конверсионных систем, использующих в качестве исходного сырьевого продукта жидкое моторное топливо, возникает ряд серьезных проблем, сдерживающих на данный момент их внедрение в промышленность. Высокий температурный уровень диссоциации (разложения) этого вида жидких углеводородов обуславливает дополнительные затраты тепловой энергии на организацию конверсионного процесса. Присутствие серы в моторном топливе исключает возможность использования катализаторов, а большое относительное содержание инертных компонентов в составе целевых продуктов конверсии создает дополнительные сложности при их применении [2,3].
Отмеченные выше сложности, связанные с эффективной организацией процесса конверсии традиционных моторных топлив, стимулирует поиск других сырьевых источников для получения водородосодержащих газов.
К ним могут быть отнесены, в частности, углеводородные соединения, имеющие более простую по сравнению с моторными топливами молекулярную структуру и пониженную температуру диссоциации. При этом более предпочтительными для применения в ДВС являются соединения, имеющие уровни температуры диссоциации и тепловых эффек-
тов в эндотермических реакциях разложения (затраты тепловой энергии на преодоление внутримолекулярных связей), соизмеримые с температурным и энергетическим потенциалом теплоносителя (отработавших газов) на выпуске двигателя. Очевидно, что только в этом случае обуславливается реальная возможность утилизации "бесплатной" тепловой энергии выпускных газов для организации конверсионного процесса, исключающая необходимость в дополнительном источнике теплоты (например, сжигание части моторного топлива в ТХР, см. рис.2).
1 СИНТЕЗ-ГАЗ езг-г пт
Вход охлаждающей воды
Рис.2 . Схема термохимического реактора конверсии моторного топлива:
1 - корпус; 2 - жаровая камера; 3 - водяная рубашка; 4 - воздушный патрубок;
5,7 - топливные форсунки; 6 - свеча накаливания
К таким соединениям в первую очередь могут быть отнесены простейшие спирты и ряд эфиров. Этиловый и особенно метиловый спирты уже относительно давно применяются в ДВС в качестве частичных заменителей традиционных топлив. В настоящее время проводятся работы по изучению возможности использования спиртов в качестве основного топлива для двигателей. Однако представляется, что возможность перевода парка мобильных установок на питание спиртовым топливом в ближайшем будущем проблематична вследствие его низких химотологических свойств и необходимости изменения при этом базовых конструкций двигателей.
Вариантом бортовой (автономной) системы питания может являться система получения водородосодержащих газов, использующая в качестве исходного сырьевого продукта метанол. Процесс преобразования жидкого метанола в водородосодержащую газовую смесь представляет собой сложный физико-химический акт. Конечная эффективность процесса конверсии определяется энергозатратами, связанными с его реализацией, и степенью выхода целевого продукта - водорода.
При практической реализации процесса конверсии метанола на борту транспортного средства необходимо решить вопросы рационального размещения реактора в системе питания двигателя, возможности оперативной активации (регенерации) катализатора и его замены, максимального использования тепловой энергии отработавших газов при минимизации противодавления на выпуске ДВС и др.
Большие возможности в решении проблемы интенсификации температурных пульсаций отработавших газов в широком интервале изменения нагрузок двигателя заложены в идее использования тепловых труб в конверсионных системах. Тепловые трубы одновременно являются высокоемкими тепловыми аккумуляторами. Для практической реализации
данной идеи необходимо решить ряд сложных технологических проблем, а также вопросы конструктивного упрощения и удешевления реакторных аппаратов с тепловыми трубами.
Наибольшее распространение в настоящее время получают конструкции кожухотрубных реакторов, обладающих относительной простотой выполнения, удобством монтажа на двигателе при высокой эффективности. На рис. 3 приведена схема одного из вариантов конструктивного выполнения такого типа реактора, в средней части пучка которого расположен высокотеплопроводный газопроницаемый слой, содержащий сквозные каналы. Он способствует равномерному распределению температурного напора вдоль катализаторных трубок и улучшает утилизацию теплоты отработавших газов.
На рис.4 приведена схема автомобильного реактора конверсии метанола, конструкция которого позволяет использовать не только тепловую энергию выпускных газов (греющего теплоносителя) для организации теплового режима конверсии, но и химическую.
В данной конструкции дополнительный разогрев теплоносителя осуществляется за счет дожигания содержащихся в них энергоемких продуктов неполного сгорания (СО, СН) с применением окислительной каталитической среды.
Для этой цели в едином корпусе аппарата конструктивно объединены реактор конверсии метанола и каталитический нейтрализатор отработавших газов. Организации экзотермического (с выделением теплоты) процесса доокисления в секции каталитического нейтрализатора продуктов неполного сгорания, содержащихся в выпускных газах, позволяет не только утилизировать нереализованную в процессе сгорания в ДВС химическую энергию топлива, но и совершенствовать экологические качества двигателя.
Расчетная величина дополнительного теплового эффекта в этом случае может быть определена как:
0£=Оя<\+а1о)^нш9т>)>
где #ш, т, - теплота сгорания и массовое содержание в выпускных газах г'-го компонента неполного сгорания топлива соответственно;
- массовый расход метанола;
/«, а - стехиометрический коэффициент и коэффициент избытка воздуха.
Рис.З . Схема реактора конверсии метанола с испарителем
Вопросы конверсии метанола на теоретическом и практическом уровнях изучены в химических областях науки, техники и технологии. В публикациях по двигательной тематике подобные исследования нашли свое отражение относительно недавно, в основном применительно к двигателям с искровым зажиганием.
В процессе поиска и изучения способов и устройств получения водородных смесей на борту транспортного средства на основе каталитической конверсии метанола и возможности использования их для организации рабочих процессов ДВС, к настоящему времени накоплен определенный исследовательский опыт.
Рис.5 . Схема реактора для конверсии метанола с каталитическим дожигателем отработавших газов двигателя
Таблица 1
Температурное поле реактора конверсии метанола (рис.4)
Режим работы двигателя Температура в точках замера, ч °С Состав синтез газа, % Расход мета- нола, л/ч
Остаток
п, мин'1 кВт Т\ Тг Тг т4 г5 Ть н2 СО сч О и сн4, СН3ОН, Н20
2000 XX 50 260 245 240 120 180 64,9 30,1 2,6 2,4 3,7
2000 36,7 60 280 255 245 150 160 53,1 31,1 6,9 8,9 3,65
2000 62,5 65 320 270 260 155 195 60,0 38,1 0,4 1,5 3,2
Т\ - температура испаренного метанола на входе в перегреватель;
Т2 - температура метанола и синтез-газа в 1-ом сечении реакционной секции;
Т3 - температура метанола и синтез-газа во 2-ом сечении реакционной секции;
Г4 - температура ОГ в окислительной секции (каталитическом нейтрализаторе); Г5 - температура синтез-газа на выходе из реактора;
Т6 - температура ОГ на выходе из реактора.
Этот опыт может быть успешно использован при создании относительно недорогих систем, не уступающих по энергоемкости традиционным системам питания, но значительно превосходящих последние по экологическим качествам.
На рис.5 приведена принципиальная схема системы конверсии метанола для питания двигателя водородной смесью. Жидкий метанол из бака 9 насосом 8 подается в испаритель - накопитель 7. Испаренный метанол поступает в перегреватель 4, где достигает температуры, необходимой для реализации процесса конверсии. После этого пары метанола направляются в каталитический реактор 5, где осуществляется их преобразование в водородную смесь.
Конверсионная газовая смесь проходит через межтрубное пространство испарителя-накопителя 7, отдавая при этом теплоту для организации процесса испарения жидкого метанола. Давление в испарителе-накопителе контролируется манометром 10. Обратный клапан 6, расположенный между реактором 5 и испарителем 7, исключает попадание продуктов конверсии метанола назад в рабочее пространство реактора при неработающем двигателе. Редукционный клапан 11 регулирует заданный уровень давления продуктов конверсии метанола на входе в цилиндры двигателя 1. Электроклапан 12 перекрывает подачу конверсионных продуктов в двигатель при его остановке.
Для реализации эндотермической реакции диссоциации метанола утилизируется тепловая энергия отработавших газов двигателя. Из двигателя отработавшие газы поступают в распределитель 2, откуда в зависимости от теплового режима реактора направляются полностью в перегреватель 4 и реактор 5 или частично перепускаются в обход вышеназванных аппаратов через глушитель 3 в атмосферу.
Широкие возможности по улучшению экономических и экологических показателей двигателя при работе на водородных смесях, получаемых из метанола на борту автомобиля, существенно компенсируют дополнительные затраты на оборудование автомобиля системой для получения и подачи водородной смеси в двигатель.
Возможность автономного (бортового) генерирования водорода из метанола, для промышленного получения которого имеются большие ресурсы в виде отходов деревоперерабатывающей и пищевой промышленности, а также каменных углей низкого качества, невостребованных промышленностью для других целей, позволяет рассматривать данный продукт как удобный (безопасный в применении) жидкий носитель водорода. Сказанное позволяет спрогнозировать расширение работ по созданию нового поколения двигателей,
приспособленных для работы с использованием водородных смесей, генерируемых из метанола.
Процесс конверсии метанола сопровождается поглощением тепловой энергии от внешнего теплоносителя (отработавших газов). Эта энергия расходуется в основном на компенсацию высокого эндотермического эффекта реакции разложения метанола [4]. Согласно известному термодинамическому закону Гесса, энергосодержание водородной смеси (конечного продукта реакции) увеличивается по сравнению с метанолом (исходным продуктом) примерно на 20%. Известно, что теплота сгорания метанола соответствует »20 МДж/кг, а синтезированной из него водородной смеси » 24 МДж/кг. Таким образом, определенная часть тепловой энергии отводимой из рабочего цикла двигателя с выпускными газами, может быть повторно использована для совершения полезной работы.
Очевидно, что подобный способ утилизации теплоты отработавших газов (известный в литературе [5] как способ термохимической регенерации отходящей теплоты) для увеличения энергоемкости топлива, подаваемого в двигатель, является эффективным средством повышения его топливной экономичности.
Заметим, что при установке в выпускной системе двигателя аппарата, функционально и конструктивно объединяющего в себе реактор конверсии метанола и каталитический нейтрализатор, удается утилизировать не только тепловую (физическую) компоненту энергии выпускных газов, но и их химическую составляющую. Это обстоятельство позволяет расширить представление об упомянутом выше известном [5] способе термохимической регенерации, определив его не только, как утилизация тепловой энергии выпускных газов, но и как регенерация суммарной их энергии, имея в виду при этом и химическую компоненту.
ЛИТЕРАТУРА
1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С.Орлина и М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.
2. Фомин В.М. , Савастенко А.А. , Реда Н.Ф. Экспериментальное изучение влияния добавок к топливу продуктов его плазмохимической переработки на сажесодержание ОГ дизеля// Вестник РУДН. Сер. Тепловые двигатели, 1996. -№1. -С.78-81.
3. Фомин В.М., Иванов Р.А. Улучшение эколого-экономических показателей дизеля применением термохимической переработки части топлива, поступающего в цилиндры // Проблемы теории и практики инженерных исследований. - Сб. научн. трудов. - М.: Изд-во АСВ, 1988. -С.199-200.
4. Фомин В.М., Каменев В.Ф., Макаров А.Р. Проблема энергетического баланса автомобильной системы конверсии метанола // Автомобильные и тракторные двигатели: Межвузовский сб. научн. трудов. Вып. XVII. - М.: МАМИ, 2001. - С.136 - 141.
5. Носач В,Г. .Методы повышения эффективности использования топлива в технологических процессах // Теплофизика и теплотехника, 1977. -№ 37. -С.44-47.
UDC 621.436.001
PRELIMINARY THERMOCHEMICAL TRANSFORMATION OF FUEL 1N FUEL SYSTEMS OFINTERNAL COMBUSTION ENGINES
Fomin V.M.1, Kamenev V.F.2
2) Department of autotractor engines Moscow state technical University “MAMI”
Semenovskya st., 38, 105023, Moscow, Russia
It is analysed methods and means of production hydrogen on a vehicle and also described a aportunity of utilization of ICE exhaust gases using conversion of fuies with a low dissociation température in a spécial reactor.
