7.7. Горючее для автомобиля своими руками

Достоинства

Одним из перспективных видов автомобильного горючего, в настоящее время, является метиловый спирт (http://ugle-kislota.narod.ru).

Метиловый спирт (метанол) представляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым запахом, температура замерзания -98 °C, кипения +65 °C. Хорошо смешивается с водой. Как и все спирты, он обладает высокой детонационной стойкостью, октановое число метанола составляет 114,4 единицы. Для сравнения, октановое число этанола (винный, этиловый спирт) — 111,4 ед.

Из всех антидетонационных компонентов бензина, метанол является наиболее эффективной добавкой в отношении снижения выбросов СО, СН и NOx. Может метанол использоваться и как самостоятельное автомобильное горючее, в этом случае метанол имеет определенные достоинства.

Метанол представляет собой «чисто» сгорающее топливо, обладает лучшими топливными характеристиками, чем бензин, вследствие чего, при его применении повышается КПД двигателей внутреннего сгорания. Современные бензиновые двигатели могут хорошо работать на метаноле. При этом технические характеристики двигателя улучшаются:

♦ высокая детонационная стойкость;

♦ абсолютное отсутствие сернистой коррозии двигателя и выбросов серы и сажи в выхлопе;

♦ минимальное нагарообразование в двигателе;

♦ на 50 % меньшая токсичность продуктов сгорания.

Следует отметить, что повышается КПД, благодаря внутреннему охлаждению и повышению степени сжатия высокий коэффициент наполнения цилиндров горючей смесью (по сравнению с бензином выигрыш в мощности при работе на метаноле достигает 10 %).

Указанные достоинства метанола привели к тому, что он уже давно используется как топливо на гоночных автомобилях и авиамоделях, спортивных мотоциклах, где требуются компактные и вместе с тем мощные двигатели. Многие исследовательские институты считают его топливом будущего.

Недостатки

Вместе с тем метанол имеет и недостатки. Безводный метанол хорошо смешивается с бензином в любых соотношениях, но при попадании в топливный бак влаги, топливо расслаивается. В баке получаются две несмешиваемые жидкости. Для ликвидации этой причины желательно дополнять бак фильтром-осушителем или устанавливать отдельный бак с топливопроводом.

Другим недостатком метанола является более низкая, чем у бензина, испаряемость, что вызывает затруднения при пуске двигателя на холоде. Для улучшения пуска на холоде, приходится выполнять подогрев пускового объема холодного топлива (чаще всего электрический) или производить запуск двигателя на бензине.

Для горения метанола требуется в два раза меньше воздуха, чем для бензина, поэтому при работе на чистом метаноле необходима перерегулировка карбюратора бензинового двигателя.

Отрицательным свойством метанола является его ядовитость. Хотя многие химики, авиамоделисты и гонщики, десятилетиями вплотную обращающиеся с ним (естественно с соблюдением правил техники безопасности и санитарии) без каких-либо последствий для собственного здоровья.

 Примечание.

Не относят его к особо ядовитым веществам и подозревают, что его опасность специально раздута из-за склонности российского народа употреблять внутрь все, что горит синим пламенем и пахнет спиртом.

Превосходят метанол по опасности многие применяемые в автомобиле вещества. По токсичности метанол уступает используемой в системе охлаждения жидкости (смертельная доза этиленгликоля около 100 мл) и аккумуляторному электролиту.

Опаснее метанола, выбрасываемые в большом количестве бензиновым выхлопом:

♦ тетраэтилсвинец (предельно допустимая концентрация (ПДК) которого в воздухе составляет 0,005 мг/м³, в то время как ПДК метанола — 5 мг/м³);

♦ оксид углерода (СО, угарный газ, кровяной яд) и оксиды азота.

Санитарными правилами при работе с метанолом запрещается:

♦ изготовление политур на метаноле;

♦ выпуск продуктов (мастик, нитролаков, клеев и др.), применяемых в быту и выпускаемых в торговую сеть, в состав которых входит метанол;

♦ применение метанола для разжигания нагревательных приборов;

♦ применение метанола в качестве растворителя.

 Внимание.

Применение метанола для использования его в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания санитарными правилами не запрещается. Однако в обращении с метанолом требуется осторожность.

Без своевременно оказанной медицинской помощи смертельная доза 100 % метанола при приеме внутрь составляет 100–150 мл. При употреблении меньших доз метанола возможна слепота из-за поражения зрительного нерва.

Разбавленный метанол в 80 раз токсичнее этилового спирта такой же концентрации. Для лиц, постоянно контактирующим с метанолом, средством, снижающим ядовитость метанола, является 30 % этиловый спирт в дозе 100 мл в день.

При случайном употреблении метанола внутрь, до получения медицинской помощи, необходимо вызвать рвоту, принять 100 мл теплого 30 % спирта и затем принимать его каждые 2 часа по 50 мл 4–5 раз. В последующие 2–3 суток по 100 мл в день.

Вообще, все спиртные напитки содержат примеси метанола, но в организме этиловый спирт «связывает» продукты разложения метанола (формальдегид!) и токсическое действие метанола снижается.

Для сравнения, смертельная доза 96 градусного этилового спирта (питьевого неразбавленного, для умеренно пьющего человека) составляет 200–300 мл за один прием, а токсическая доза бензина при приеме внутрь равна 20–50 г.

При повышенной концентрации паров метанола в воздухе, действие его паров выражается в покраснении глаз, звоне в ушах, головной боли. С целью обнаружения повышенной концентрации паров метанола в воздухе, в салоне автомобиля можно установить датчик обнаружения паров алкоголя. Эти датчики предлагаются сейчас в большом ассортименте.

В значительно меньшей степени указанные недостатки присутствуют в бензино-метанольных смесях.

Производство метанола

Производиться метанол может из углекислоты или любого органического вещества: уголь, древесина, сельскохозяйственные отходы и т. п. Но наиболее простой метод заключается в получении метанола из природного (сетевого) газа. Одновременная подача углекислоты и природного газа снижает расход природного газа и значительно повышает выход метанола.

Возможно изготовление комбинированной метанольно-углекислотной установки. В этом случае эти производства дополняют друг друга: на метанольную установку подается углекислота от производства СО₂, а сбрасываемый с метанольной установки отходящий горючий газ подается для сжигания в углекислотный процесс.

Основными действующими веществами в превращении природного газа в метанол являются катализаторы.

Упрощенно, технология получения метанола заключается в пропускании природного газа через фильтр для очистки газа от катализаторных ядов, затем превращение очищенного природного газа на катализаторе в другой вид газа, а затем на выходе из следующего катализатора получение готовой продукции.

Также как и при получении самогона необходимы:

♦ вода, для охлаждения змеевика;

♦ электросеть, для работы небольшого компрессора.

 Внимание.

Какие-либо утечки газа, запахи и испарения при производстве метанола абсолютно исключаются и, поскольку процесс связан с получением горючей, токсичной жидкости, работу необходимо проводить в нежилом проветриваемом помещении, с соблюдением всех правил пожарной и санитарной безопасности.

Производительность аппарата (литр/час) зависит от массы подаваемого на переработку сырья и объема участвующих в процессе катализаторов. Выход метанола составляет 0,6–0,7 л из 1 м³ природного газа. При повышенных требованиях к чистоте метанола его очистку от влаги и примесей можно выполнять пропусканием продукта через дополнительный фильтр.

Размеры установки зависят от ее производительности, при получении метанола в количестве 1–2 канистр в сутки, установку вполне можно разместить на столе.

Установка не требует дефицитных деталей, материалов и каких-то особых знаний, изготовить ее можно в любом гараже.

Использование метанола собственного производства в качестве горючего, является самым недорогим вариантом заправки двигателей внутреннего сгорания. С целью наибольшей оптимизации процесса сгорания топлива возможна установка дополнительных устройств в топливной системе ДВС устройства смесеобразования и гомогенизации топливной смеси, газогенерация метанола и т. п.

В тех случаях, когда токсичность метанола вызывает настороженность в обращении с ним, возможно использование в качестве автомобильного горючего этанола (этилового спирта), получаемого также из природного газа. Этанол сохраняет преимущества метанола для двигателя, но стоимость получения этанола и оборудования для его производства в два раза выше, чем при производстве метанола.

Из органических веществ возможно получение синтетического бензина. Получаться бензин может также и из природного газа в результате каталитических реакций. Октановое число получаемого бензина — до 95 единиц. При использовании синтетического бензина вносить какие-либо изменения в топливную систему автомобиля не требуется. Качество работы двигателя не ухудшается, а износ двигателя не увеличивается. Но процесс получения бензина и сама установка для получения бензина сложнее и дороже, чем при получении метанола. Выход бензина составляет 0,3 л из 1 м³ природного газа.

Выбор используемого вида горючего находится исключительно за владельцем автомобиля.

Бензин из пластиковых бутылок

Компания Envion из Вашингтона нашла способ превращать пластиковые бутылки в нефть. Разработанный компанией генератор Envion Oil Generator™ способен производить 7000 т нефти из 10 000 т пластика в год, сообщает www.1000ideas.ru. Стоимость одной тонны при таком способе производства составляет USD 17. При этом он легок в эксплуатации и установке, имеет высокую производительность и не загрязняет окружающую среду вредными выбросами.

Технология производства нефти основана на экстрагировании углеводородов из пластика без применения катализатора путем охлаждения сырья термическим крекингом в вакууме.

Этот инновационный метод переработки пластика в нефть способен сразу решить несколько проблем:

♦ во-первых, проблему отходов, которые засоряют окружающую среду;

♦ во-вторых, проблему закупки нефти, цены на которую вновь стали расти.

По данным компании, в Америке идет на повторную переработку только 4 % пластиковых бутылок, остальные просто выбрасываются, засоряя природу.

Поэтому, потенциал коммерциализации этой идеи производства нефти их пластиковых отходов велик, равно как и прибыль, которую компания собирается получать буквально из мусора. Тем более что технология производства позволяет не сортировать пластиковые бутылки и не мыть их перед загрузкой в генератор. Технология производства нефти показана на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Технология производства нефти

В современной экономике стало появляться все больше компаний, которые начали применять инновационные технологии переработки вторсырья для производства новых продуктов. Эта тенденция свидетельствует о том, что мы наблюдаем глобальные изменения в экономике, которые способны превратить ее из сырьевой экономики в высокотехнологичную «зеленую» экономику, которая рационально использует природные ресурсы и не загрязняет окружающую среду.

Переработка автомобильных шин

Идет непрерывное накопление изношенных шин, в основном с металлокордом, а перерабатывается всего лишь около 20 % от их числа. Изношенные шины представляют собой самую крупнотоннажную продукцию полимеросодержащих отходов, практически не подверженных природному разложению. Поэтому переработка и вторичное использование вышедших из эксплуатации шин имеют важное экономическое и экологическое значение (www.mazut.net).

Шины и пластмассы представляют собой ценное полимерное сырье: в 1 т шин содержится около 700 кг резины, которая может быть повторно использована для производства топлива, резинотехнических изделий и материалов строительного назначения. В то же время, если сжечь 1 тонну изношенных шин, то в атмосферу, выделяется 270 кг сажи и 450 кг токсичных газов.

Производство состоит из участков:

♦ склад сырья (изношенные автопокрышки и пластмасс);

♦ участок подготовки сырья (разделка шин на куски);

♦ участок переработки автопокрышек и пластмасс;

♦ склады готовой продукции: склад жидкого топлива, склад технического углерода, участок складирования металлолома (металлокорд).

Исходное сырье собирается и свозится автотранспортом на склад сырья. Далее авторезина осматривается на предмет наличия в ней металлических дисков, колец и направляется на разделку. После разделки измельченное сырье подается в приемный бункер реактора.

Сырье в реакторе подвергается разложению при температуре примерно 450 °C, в процессе которого получаются полупродукты: газ, жидкотопливная фракция, углеродсодержащий остаток и металлокорд. Газ частично возвращается в топку реактора для поддержания процесса. Оставшаяся часть газа выбрасывается через трубу (по внешнему виду и количеству газа на выходе сравнима с выхлопами грузовика).

Углеродсодержащий остаток после гашения и охлаждения подвергается магнитной сепарации (или просеивается через сито) с целью отделения проволоки металлокорда.

Через загрузочный бункер (рис. 7.10) в основную колонну загружаются нарезанные автошины. Затем поджигаются в нижней части колонны. При этом загрузочный бункер и отсек выгрузки закрыты.

Рис. 7.10. Схема установки

Вся резина прогревается, но не горит (за исключением нижней части, которая тлеет). С помощью дымососа углеводородные фракции, выделяемые при нагреве резины, высасываются дымососом из основной колонны через циклон с сепаратором, колонну 1 и колонну 2. В колоннах 1 и 2 углеводородные фракции охлаждаются и конденсируются, превращаясь в жидкое пиролизное топливо. Те фракции, которые не конденсировались, в качестве газа направляются частично в основную колонну, а частично на выброс. Вода для охлаждения является оборотной и используется повторно.

Домашняя биогазовая установка

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и любых других органических остатков, известен давно — это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они под действием микроорганизмов-аэробов понемногу разлагаются.

При этом куча разогревается примерно до 60 °C и происходит естественная пастеризация — погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть (пишут к. т. н. А. А. Упит, А. В. Дарклиныш на http://www.patlah.ru)

Но качество удобрения при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота и немало фосфора. Пропадает и энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, — а в навозе, между прочим, заключена почти половина всей энергии, поступающей на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества — сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном биологическом реакторе, заключенном в брюхе каждой буренки, пасущейся на лугу.

Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы — углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть — 100–200 млн. тонн в год! — имеет такое «животное» происхождение.

Метанообразующие бактерии — во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая — их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения задачи — переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности — биогаз, в котором 60–70 % метана, — есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное — что таким способом прекрасно перерабатывается жидкий навоз со свинофермы: пройдя через биореактор, эта зловонная жижа превращается в прекрасное удобрение.

Экология плюс немного тепла

Опытная установка, производящая биогаз, вот уже четыре года работает на одной из свиноферм совхоза «Огре». Рядом стоит еще один реактор, импортный, пущенный в прошлом году. В общем, как считают в совхозе, можно было обойтись и без импорта: зачем тратить валюту на то, что вполне можно делать своими силами?

Оба реактора, объемом по 75 кубометров каждый, перерабатывают все отходы с фермы на 2500 свиней, давая совхозу остро необходимое всякому хозяйству высококачественное удобрение и по 300–500 кубометров газа в сутки.

Не газом окупает, а экологическим благополучием: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, и очистные сооружения, тратить большие деньги и очень много энергии. Кроме того, совхоз получает хорошее удобрение: в нем нет, как в свежем навозе, семян сорняков, способных прорасти, а значит, меньше надо расходовать гербицидов. Опять-таки, экологическая выгода.

Биогаз же — как бесплатное приложение: приятно, но не обязательно.

Именно поэтому не так просто подсчитать экономическую эффективность подобных разработок. Обычно считают как раз по биогазу: затраты такие-то, газа получено столько-то, соотйетствующее количество солярки стоит столько-то. Получается в общем тоже выгодно, но сроки окупаемости не рекордные…

Тут есть еще одна тонкость. Бактерии метанового брожения в отличие от аэробов при компостировании сами тепла не выделяют, а работают они только в тепле. Для одних, термофильных, нужно поддерживать температуру около 55 °C, для других, мезо-фильных — около 37 °C. Вопрос о том, какой вариант лучше, еще не решен, и даже в Институте микробиологии существуют разные мнения. Академик М. Е. Бекер считает, что термофильный процесс эффективнее, а лабо

ратория биотехнических систем, которой руководит кандидат технических наук А. А. Упит, стоит за мезофильный. Но так или иначе, в нашем климате реактор большую часть года приходится подогревать. И если в жаркой Индии и Китае, где биогазовые установки насчитывают миллионами, такой проблемы не возникает, то в совхозе «Огре» на это уходит в среднем около половины биогаза, Полученного за год.

Это, естественно, ухудшает показатели экономической эффективности, если считать только по сэкономленному топливу. Но даже в таких условиях остающегося биогаза хватает, чтобы обеспечить треть энергетических потребностей фермы: тут и отопление, и горячая вода.

Конечно, картина получилась бы совершенно иная, если бы к энергетическому эффекту прибавить еще эффект экологический, переведя его в рубли. Но как это сделать, пока еще, кажется, не знает никто.

Во всяком случае, можно сказать одно: работников совхоза «Огре» результаты первого опыта вполне устраивают, и они намерены расширять дело. В этом году начнется строительство биогазовой установки для большого совхозного свинокомплекса. Уже не на 2500, а на 20000 голов. Ожидается, что эта установка, даже если считать только по газу, окупится за 5–6 лет. И гигантские навозохранилища, о которых говорилось в начале раздела, строить не придется.

Как построить биореактор

Биогазовая установка может быть создана в любом хозяйстве из местных, доступных материалов силами специалистов самого хозяйства.

Ферментация навоза идет в анаэробных (бескислородных) условиях при температуре 30–55 °C (оптимально 40 °C). Длительность ферментации, обеспечивающая обеззараживание навоза, не менее 12 суток. Для анаэробной ферментации можно использовать как обычный, так и жидкий, бесподстилочный навоз, который легко подается в биореактор насосом.

При ферментации в навозе полностью сохраняются азот и фосфор. Масса навоза практически не изменяется, если не считать испаряемой воды, которая переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30–40 %; деструкции подвергаются в основном легко разлагаемые соединения — жир, протеин, углеводы, а основные гумусообразующие компоненты — целлюлоза и лигнин — сохраняются полностью.

Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизируется соотношение C/N. Доля аммиачного азота увеличивается. Реакция получаемого органического удобрения — щелочная (pH 7,2–7,8), что делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. По сравнению с удобрением, получаемым из навоза 9бычным способом, урожайность увеличивается на 10–15 %.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/м³ (0,93 плотности воздуха) имеет следующий состав (%): метан — 65, углекислый газ — 34, сопутствующие газы — до 1 (в том числе сероводород — до ОД). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55–75 %. Содержание воды в биогазе при 40 °C — 50 г/м³; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.).

Энергоемкость получаемого газа — 23 мДж/м³, или 5500 ккал/м³. Оборудование представлено на рис. 7.11.

Основное оборудование биогазовой установки — герметически закрытая емкость с теплообменником (теплоноситель — вода, нагретая до 50–60 °C), устройства для ввода и вывода навоза и для отвода газа.

 Примечание.

Так как на каждой ферме свои особенности удаления навоза, использования подстилочного материала, теплоснабжения, создать один типовой биореактор невозможно. Конструкция установки во многом определяется Местными условиями, наличием материалов.

Для небольшой установки наиболее простое решение — использовать высвободившиеся топливные цистерны. Схема биореактора на базе стандартной топливной цистерны объемом 50 м³ показана на рис. 7.11. Внутренние перегородки могут быть из металла или кирпича; их основная функция — направлять поток навоза и удлинить путь его внутри реактора, образуя систему сообщающихся сосудов. На схеме перегородки показаны условно; их число и размещение зависят от свойств навоза — от текучести, количества подстилки.

Рис. 7.11. Оборудование для производства биогаза

Биореактор из железобетона требует меньше металла, но более трудоемок в изготовлении. Чтобы определить объем биореактора, нужно исходить из количества навоза, которое зависит как от численности и массы животных, так и от способа его удаления: при смыве бесподстилочного навоза общее количество стоков увеличивается во много раз, что нежелательно, так как требует увеличения затрат энергии на подогрев.

 Примечание.

Если суточное количество стоков известно, нужный объем реактора можно определить, умножив это количество на 12 (поскольку 12 суток— минимальный срок выдержки навоза) и увеличив полученную величину на 10 % (так как реактор следует заполнять субстратом на 90 %).

Ориентировочная суточная производительность биореактора при загрузке навоза с содержанием сухого вещества 4–8 % — два объема газа на объем реактора: биореактор объемом 50 м³ будет давать в сутки 100 м³ биогаза.

Как правило, переработка бесподстилочного навоза от 10 голо. в крупного рогатого скота позволяет получить в сутки около 20 м³ биогаза, от 10 свиней — 1–3 м³, от 10 овец — 1–1,2 м³, от 10 кроликов — 0,4–0,6 м³.

Тонна соломы дает 300 м³ биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов — 130 м³).

 Примечание.

Потребность в газе односемейного дома, включая отопление и горячее водоснабжение, составляет в среднем 10 м³ в сутки, но может сильно колебаться в зависимости от качества теплоизоляции дома.