Применение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива

Сжиженный природный газ или сокращенно СПГ, как принято называть его в энергетической отрасли, является одним из наиболее перспективных видов энергоносителей. Актуальность использования СПГ обусловлена его уникальными свойствами.

1) Снижение количества выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду при замене, например, каменного угля или мазута природным газом.

2) Низкая потребительская стоимость.

3) Повышение плотности газа в сотни раз, что повышает эффективность и удобство хранения, а также транспортировки и потребления энергоносителя.

4) Коррозионная безопасность для двигателей.

5) Большая взрывобезопасность по сравнению с природным газом.

СПГ представляет собой обыкновенный природный газ, охлажденный до температуры –162°С (так называемая температура сжижения) для хранения и транспортировки в жидком виде. Хранится сжиженный газ в изотермических резервуарах при температуре кипения, которая поддерживается вследствие испарения СПГ. Данный способ хранения СПГ связан с тем, что для метана, основной составляющей СПГ, критическая температура –83°С, что гораздо ниже температуры окружающей среды, и не предоставляет возможным хранить сжиженный природный газ в резервуарах высокого давления. Для использования СПГ подвергается испарению до исходного состояния без присутствия воздуха. При регазификации из одного кубометра сжиженного газа образуется около 600 кубометров обычного природного газа. [1]

Сжиженный метан – топливо, которое может применяться на большинстве видов транспорта: даже без учета перспективного развития транспортных средств, можно утверждать, что на сжиженных природном и нефтяном газах, как на основном топливе, могут работать двигатели легковых и грузовых автомобилей, автобусов, двигатели железнодорожных локомотивов, машины океанских судов и судов внутренних линий. Стоит отметить, что использование сжиженного метана в качества моторного топлива более эффективно в сравнении со сжиженным нефтяным газом (СНГ) и бензином. Как известно, двигатели, работающие на бензине, сильно загрязняют воздух. Благодаря своему химическому составу СПГ является эффективным топливом, значительно меньше загрязняющим атмосферу.

При использовании СПГ уменьшаются затраты на профилактический осмотр и ремонт двигателей подвижного транспорта, что положительно сказывается как на экономии средств от ремонта, так и на большей длительности безремонтного пробега автотранспортных средств. Кроме того, снижается степень загрязнения воздуха выхлопными газами.

Наиболее эффективно сжиженный метан в качестве горючего применять на железнодорожном транспорте (локомотивы с газотурбинными двигателями, имеющие высокий коэффициент использования).

В качестве топлива сжиженный природный газ используется непосредственно на СПГ-танкерах, на которых перевозятся большие объемы СПГ в отдаленные уголки земного шара. Большой интерес представляет использование паров сжиженного газа из метановых резервуаров в качестве топлива для метановозов.

Одной из наиболее интересных проблем, разрабатываемых в газовой промышленности, является использование сжиженного метана в качестве топлива для авиационных двигателей. Сжиженный метан считается лучшим реактивным топливом. Использование его в качестве реактивного топлива приводит к увеличению полезной нагрузки самолета, повышению скорости и снижению эксплуатационных затрат.

Однако СПГ имеет следующий недостаток: он быстро образует пар при сжигании, так как закипает при температуре около –162°С. С другой стороны, он обладает значительными преимуществами:

1) Труднее всего воспламеняется в сравнимых условиях;

2) Значительно легче воздуха при температуре окружающей среды;

3) Дает больший охлаждающий эффект;

4) Не является токсичным; предохраняет топливную систему от коррозии и загрязнений;

5) Горит с менее разрушительным пламенем, чем реактивное топливо;

6) Не образует воспламеняющейся смеси в резервуаре, если хранить в парообразном состоянии. [2]

Сжиженный метан значительно превосходит реактивное топливо. Он не выделяет дыма при сжигании и его можно использовать для охлаждения греющихся металлических частей выхлопной системы, являющихся первичными источниками инфракрасной радиации. И, наконец, при применении метана увеличивается срок службы оборудования самолета.

Как известно, при сжигании СПГ выделяется на 15% больше тепла в расчете на 1 кг веса по сравнению с авиационным керосином. Таким образом, даже при идентичном типе двигателя и том же тепловом КПД удельный расход топлива улучшается на 16%, если в качестве топлива используется сжиженный метан.

Если в качестве топлива используется сжиженный природный газ, то только за счет его возможности охлаждать металлические части двигателя можно добиться значительных преимуществ в технической характеристике и эксплуатационных качествах газотурбинных двигателей, что характерно для ракетных двигателей, сжигающих жидкий кислород и жидкий водород. Хладопроизводительность СПГ в 6 раз выше хладопроизводительности керосина.

Проведенные эксперименты с сотнями газотурбинных двигателей авиационного типа, работавшими на природном газе, доказали, что в данном случае происходит более чистое сгорание топлива и более равномерное распределение тепла. Только за счет этого можно повысить температуру газового потока на 110-176°С без увеличения температуры деталей турбины, которая определяет ресурсы самого двигателя и вспомогательных систем.

Если же реализовать охлаждение камеры сгорания газотурбинного двигателя и лопаток турбины сжиженным природным газом, то температура газа, поступающего в турбину, может быть повышена с 1093°С до 1927°С. Соотношение горючего и воздуха в смеси, в таком случае, может приближаться к стехиометрической величине, теоретически равной около 2500°С.

Двигатели вертолетов, охлаждаемые топливом и сконструированные специально с целью максимального использования всех преимуществ исключительно высокого уровня температуры и значительно более высокие степени сжатия, могут обеспечить к.п.д. свыше 35%. В связи с этим удельный расход топлива уменьшается на 30-50%. Другим важным преимуществом является сокращение удельного расхода воздуха двигателем примерно на 30-40%. Следовательно, существует возможность уменьшить размер двигателя при той же мощности.[3]

Как известно, половина шумовой энергии вертолета образуется в результате выхлопа. При переходе на СПГ в качестве топлива значительно сокращается шум двигателя в результате уменьшения силы выхлопа отработанных газов. Таким образом, даже при увеличении мощности двигателя производимый им шум будет меньше. При замене реактивного топлива сжиженным природным газом в выхлопных газах не содержится ни сажи, ни серосоединений. Значительно уменьшается также содержание окиси углерода. При работе двигателя на СПГ выхлопные газы практически не содержат олефиновых углеводородов, которые под действием солнечного света соединяются с окислами азота и образуют наиболее неприятную по запаху и вредную для здоровья часть выхлопных газов.

Хотя теплосодержание СПГ на 15% выше, чем у авиационного керосина, в расчете на единицу веса, плотность сжиженного газа (424 г/л) значительно ниже плотности керосина (780 г/л). Теплосодержание СПГ на единицу объема фактически на 40% ниже по сравнению с теплосодержанием авиационного керосина. Это значит, что с увеличением теплового КПД. уменьшается вес горючего, хранимого на борту самолета, а объем баков остается почти тот же. Сжиженный природный газ в отличие от авиационного керосина не имеет запаха и не токсичен. [4]

Таким образом, можно сказать, что сжиженный природный газ представляет собой безопасный, экологический чистый вид топлива с высокими энергетическими характеристиками и октановым числом. Использование СПГ в качестве моторного топлива в технике позволяет сократить количество вредных веществ, попадающих в атмосферу с выхлопами, уменьшить износ частей двигателя, увеличить тепловое КПД двигателей, а также уменьшить объемы необходимого топлива, что очень актуально при авиа - и морских перевозках. Также необходимо отметить, что цена СПГ по стоимости у потребителей ниже цены сжиженного нефтяного газа, мазута и тем более дизельного топлива. Все это делает развитие данного направления актуальным и выгодным.