Разработка нового вида газового моторного топлива на основе легких углеводородов

На правах рукописи Снежко Даниил Николаевич Разработка нового вида газового моторного топлива на основе легких углеводородов Специальность 05.17.07 – Химия и технология топлив и специальных продуктов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2007 Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ». Научный руководитель: кандидат технических наук Мамаев Анатолий Владимирович Официальные оппоненты: доктор химических наук Зайцев Николай Конкордиевич кандидат технических наук Касперович Александр Геннадьевич Ведущая организация: ОАО «НИПИГАЗПЕРЕРАБОТКА», г. Краснодар Защита состоится «___» ___________ 2007 г. в 13 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 511.001.01 при ООО «ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская обл., Ленинский район, пос. Развилка, ВНИИГАЗ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «ВНИИГАЗ». Автореферат разослан «____» __________ 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета, д. г.-м. н. Н.Н. Соловьев ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы В Российской Федерации в последние годы динамично развивается сегмент рынка сжиженных углеводородных газов (СУГ), используемых в качестве газового моторного топлива (ГМТ). Рост спроса на СУГ в автомобильном секторе в настоящее время составляет 7-10 % в год, что обусловлено их более низкими ценами по сравнению с автобензинами. Кроме того, ГМТ обладают лучшими экологическими показателями по сравнению с автобензинами. Однако использование классических образцов ГМТ (марок ПА, ПБА) при температуре ниже минус 30 ºС в регионах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока имеет ряд технических ограничений. Поэтому разработка новых видов ГМТ, пригодных к использованию в условиях низких температур, является актуальной темой исследования. Цель исследования Разработка новых композиций легких углеводородов для использования в качестве газового моторного топлива в широком диапазоне температур. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие основные научные задачи Построение математической модели, позволяющей выполнять оценку циклического изменения физико-химических свойств нового вида ГМТ при эксплуатации действующего газобаллонного оборудования; Разработка экспериментального стенда для проведения испытаний ГМТ; Проведение стендовых и полигонных исследований нового вида ГМТ; Проведение опытных пробегов, отработка режимов и наработка опытной партии нового вида ГМТ на Якутском ГПЗ, для последующей постановки его на производство. Научная новизна исследований Автором по результатам теоретического анализа физико-химических свойств СУГ при низких температурах, характерных для районов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, разработана рецептура нового вида ГМТ. С использованием уравнения состояния Пател-Тея создана динамическая математическая модель, описывающая циклическое изменение физико-химических свойств ГМТ в объеме автомобильного баллона в процессе эксплуатации автотранспортного средства. Выполнено экспериментально-аналитическое обоснование эксплуатационных характеристик и возможности использования новой композиции СУГ в условиях низких температур. На защиту выносится: Экспериментально-теоретическое обоснование рецептуры и возможности использования при низких температурах нового вида ГМТ; Математическая модель, описывающая свойства нового вида ГМТ в условиях эксплуатации; Экспериментально-аналитическое обоснование эксплуатационных характеристик разработанного вида ГМТ. Практическая значимость исследования Эффективность предлагаемой рецептуры нового газового моторного топлива по сравнению с традиционными топливами заключается в расширении температурного диапазона эксплуатации и снижении расходных показателей. Результаты работы могут быть использованы для производства нового вида ГМТ на объектах нефтегазопереработки. Практическое применение новый вид газового моторного топлива нашел в Республике САХА Якутия. Проведенные исследования позволили организовать производство нового вида моторного топлива на Якутском ГПЗ. Апробация результатов исследования Основные положения диссертационной работы докладывались на четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России (Москва, 2001 г), Ежегодной международной конференции «Наука о газе и газовые технологии» (Москва, 2003 г.), 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (29-30 января 2007 г.). По материалам диссертационной работы опубликовано 6 работ, в том числе 1 в издании, включенном в «Перечень…» ВАК Минобрнауки РФ. Объем и структура диссертации Диссертационная работа изложена на 151 странице машинописного текста, включает 63 рисунка и 38 таблиц. Состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, выводов, списка литературы, включающего 128 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов, и приложения. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту. В первой главе приводится обзор литературы, который дает теоретическое представление о состоянии проблемы, исследуемой в рамках диссертационной работы. В этой главе представлен общий обзор рынка ГМТ на основе СУГ и тенденции его развития. В последние годы успешно развивается сектор рынка сжиженного газа, используемого в качестве автомобильного топлива. Объем этого сектора розничного рынка оценивается в настоящее время в 1500 тыс. тонн в год. В данном секторе сжиженный газ конкурирует с автомобильными бензинами, которые задают ценовой ориентир: конкурентоспособная оптовая цена поставки СУГ составляет 50-60 процентов цены бензина распространенных марок (например, АИ-92). Данные по перспективной мировой конъюнктуре свидетельствуют о том, что уровень цен на СУГ, используемые в качестве моторного топлива, будет стабильно повышаться. Средняя оптовая цена к 2015-2020 гг. может составить: Автобензин – 19400 руб./т. (в настоящее время 14500 руб./т.); ГМТ – 10400 руб./т. (в настоящее время 7800 руб./т.). Качество СУГ, выпускаемых в РФ, используемых как моторное топливо, регламентируется ГОСТ 27578-87 и ГОСТ Р 52087-2003, а также техническими условиями. Необходимо отметить, что ни в одном из российских и зарубежных нормативных документов не рассматриваются низкотемпературные условия применения ГМТ. Минимальная температура эксплуатации ГМТ определена в отечественных стандартах не ниже минус 30 ºС ÷ минус 35 ºС, в зарубежных не ниже минус 37 ºС. В последние годы проявляется особый интерес к исследованиям в области улучшения эксплуатационных характеристик автотранспорта за счет повышения показателей качества моторных топлив. Это отмечено в работах А.В. Мамаева, А.А. Башилова и А.А. Шлейфера, Ч. Геуна и Т. Дале. Использование предлагаемых смесей в качестве моторного топлива требует реализации особых технических решений по изменению конструкции газобаллонной аппаратуры. Проведенный обзор литературных данных показывает, что проблема использования СУГ на транспорте в условиях низких температур в настоящее время весьма актуальна вследствие низкого давления насыщенного пара «стандартного» ГМТ и, соответственно, имеющих место технических трудностей эксплуатации автомобилей. Одним из вариантов ее решения может быть изменение компонентного состава. Однако широкий диапазон, в котором возможно варьирование составов СУГ, и последующие испытания смесей связаны со значительными материальными и временными затратами, вызванными необходимостью проведения достаточно сложных и трудоемких экспериментов. В значительной степени указанные затраты можно сократить при применении математического аппарата, позволяющего проводить оценку свойств системы на основе ее компонентного состава. Для этой цели был рассмотрен ряд уравнений состояния с известными модификациями. Широко известны работы российских ученых А.И. Брусиловского, С.Д. Барсука, Л.Л. Фишмана и А.Г. Касперовича, в которых показано, что результаты расчета вполне адекватно описывают поведение таких систем. Это дает основание для их использования в технологических расчетах, с использованием специального программного обеспечения. С другой стороны, решения некоторых вопросов, связанных с применением СУГ на транспорте, в частности, динамического моделирования процессов заполнения-опорожнения баллонов, исследователи до сих пор не касались. Таким образом, вопросы, связанные с компонентным составом СУГ, применяемых на транспорте в условиях низких температур, математическим моделированием сопутствующих процессов, оценкой технологической возможности и экономической целесообразности реконструкции действующих производств для их перевода на новые виды ГМТ представляются весьма актуальными. Во второй главе изложены методики проведения экспериментальных стендовых и полигонных исследований и способы расчета количественных характеристик изучаемых процессов. С использованием самостоятельно разработанного эксперименталь-ного стенда: приготовлены экспериментальные смеси углеводородов, предлагаемые к использованию в качестве моторного топлива; проведены экспериментальные исследования по определению изменений компонентных расходов и давления насыщенных паров (ДНП) сжиженного газа в баллоне в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания; определены расходные характеристики нового вида ГМТ и проведена оценка экологических параметров – содержания в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания СО, СН, СО2 и О2. Аналитический контроль приготовленных смесей проводился на хроматографе, оборудованном пламенно-ионизационным детектором и капиллярной хроматографической колонкой, по методу ASTM D 2163. Стендовые исследования образцов нового топлива проводились на экспериментальном стенде, оснащенном тормозным оборудованием с программным управлением собственной разработки. Испытания на стенде проводились в соответствии с ОСТ 37.001.054 – 86 «Автомобили и двигатели. Выбросы вредных веществ. Нормы и методы определения». Испытание состояло из четырех одинаковых ездовых циклов, непрерывно повторяемых один за другим. Блок – схема стенда приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Блок – схема экспериментального стенда по определению топливной экономичности и экологических характеристик газовых моторных топлив С целью определения показателей скоростных свойств и топливной экономичности автомобилей при использовании в качестве топлива экспериментальных образцов ГМТ в реальных условиях эксплуатации на асфальтированном участке динамометрической дороги Комплексной испытательной трассы 21 НИИ Минобороны России были проведены полигонные испытания. Третья глава посвящена анализу результатов исследований: проведенных расчетов фазовых равновесий нового вида топлива в процессе заполнения – опорожнения автомобильного баллона; экспериментальных исследований образцов нового вида топлива на опытном стенде; полигонных испытаний в реальных условиях эксплуатации; опытного пробега при постановке на производство нового вида топлива на Якутском ГПЗ. В главе отмечено, что использование классических образцов газовых топлив (марки ПА и ПБА по ГОСТ Р 52087-2003 и ГОСТ 25578-87) ограничено их низким давлением насыщенных паров при температуре ниже минус 30 ºС, что видно из графика на рисунке 2. Рисунок 2. Зависимость давления насыщенных паров от температуры для топлив ПА, ПБА и экспериментальных смесей нового вида ГМТ Пунктирные линии на графике ограничивают нижний и верхний пределы давления насыщенных паров, а также температурный диапазон использования в соответствии с требованиями российских нормативных документов. ДНП является важнейшим показателем эксплуатационных свойств сжиженных газов, которые используют в качестве моторных топлив. Ограничение его максимального значения необходимо для уверенности в том, что емкость, прочность которой рассчитана на определенные максимальные рабочие параметры (температуру и давление), может быть использована для хранения данной смеси. Ограничение минимального значения давления паров гарантирует обеспечение требуемых расходных показателей газа при естественном испарении в условиях низких температур окружающей среды. Проблема низкого ДНП газового моторного топлива при низких температурах может быть полностью решена изменением компонентного состава. В работе рассматриваются расчетные (таблица 1) и экспериментальные (таблица 2) смеси углеводородов на основе бутанов и этана, которые при полном отсутствии пропана или его уменьшенном содержании позволяют эксплуатировать автотранспортное средство при температурах до минус 55 ºС. Таблица 1 Компонентный состав расчетных смесей Компоненты Состав расчетных смесей, % масс. №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 №10 Метан 0 0 0 0 0 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Этан 0 5 10 15 17 14,2 5,0 10,0 15,0 15,8 Пропан 100 80 50 15 0 15 78,8 45,8 10,8 0,0 Изобутан 0 7,5 20 35 41,5 35,3 7,0 21,0 36,0 41,0 н-Бутан 0 7,5 20 35 41,5 35,3 7,0 21,0 36,0 41,0 Изопентан 0 0 0 0 0 0 1,0 1,0 1,0 1,0 н-Пентан 0 0 0 0 0 0 1,0 1,0 1,0 1,0

Похожие:

	Об обязательном страховании гражданской ответственности Сведения о страхователе (владельце опасного производственного объекта или автозаправочной станции жидкого моторного топлива)		Для автозаправочной станции жидкого моторного топлива или лифта,... Сведения о страхователе (владельце автозаправочной станции жидкого моторного топлива или лифта, подъемной платформы для инвалидов,...
	Понятие дыхания. Вентиляция легких. Газообмен в легких Модуль №4. Анатомия и физиология систем дыхания, пищеварения, обмена и терморегуляции, выделения		Занятия №1 Усвоение студентами клиники, диагностики и принципов лечения хирургических заболеваний легких у детей. Принципы диспансеризации и...
	Регламент предоставления государственной услуги «Выдача разрешений... Настоящий административный регламент устанавливает последовательность и сроки административных процедур, определяет порядок по предоставлению...		Памятк а водителю газобаллонных автотранспортных средств (гбтс),... Атс) установлено газобаллонное оборудование (гбо) ria 0013 производства фирмы marini autogas s. R. L., Италия, работающем под рабочим...
	Положение о закупке товаров, работ, услуг для нужд государственного... Заказчик – Государственное унитарное предприятие газового хозяйства Московской области		Положение о закупке товаров, работ, услуг для нужд государственного... Заказчик – Государственное унитарное предприятие газового хозяйства Московской области
	Методические указания для выполнения практических работ по дисциплине... «Изучение последовательности операций при переводе с одного вида топлива на другое (резервное)»		Конкурсная документация Одц гхк» в обеспечение мероприятия «Разработка технологий переработки основной номенклатуры отработавшего ядерного топлива энергетических...