4. Огляд методів отримання генераторного газу, який не містить інертних компонентів

Двигуни, які працюють на генераторному газі, розвивають потужність, що складає лише 60 % від потужності бензинових аналогів. Як наслідок, значно погіршуються тягово-швидкісні властивості газогенераторних автомобілів. Було визначено, що головною причиною зменшення потужності є понижена теплотвірна здатність генераторного газу, у порівнянні із бензином. Тому, було запропоновано підвищити теплотвірність газового палива, шляхом видалення із його складу інертних компонентів, а саме азоту і вуглекислого газу, які займають більшу половину від всього об’єму виробленого газу. Крім того, була сформульована ідея стаціонарного виробництва генераторного газу. Вона передбачає виробництво, очищення, охолодження та накопичення генераторного газу у ємності. Компонування автомобіля при цьому переходить від класичного газогенераторного до газобалонного. Тому за умов, коли інертні N2 і СО2 не будуть видалені із генераторного газу, його накопичення у ємностях буде недоцільним із тієї причини, що половина стисненого газу буде «мертвим баластом» на борту автомобіля. Окрім пониження потужності двигуна, при роботі на газу із малою теплотвірною здатністю, ми ще отримаємо і значно обмежений запас ходу автомобіля. Тому виробництво генераторного газу, який не містить у своєму складі інертних компонентів, є основною задачею, яка ставиться у даному розділі.

При розгляді даної проблеми, було визначено два напрямки її розв’язання:

1. відокремлення інертних компонентів із готового генераторного газу;

2. виробництво генераторного газу, який містить мінімальну кількість інертних складових.

Відокремлення компонентів із газової суміші може здійснюватись за рахунок фізичних або хімічних властивостей речовин, що входять до цієї суміші. Деякі важливі фізичні властивості складових газової суміші наведені у табл. Таблиця 2 .12.

Таблиця 2.12

Компонент суміші	Молярна маса, г/моль	Густина (за н.у.), кг/	Розмір молекули, нм	Температура кипіння, ºС	Температура плавлення, ºС
Азот (N2)	28	1,25	0,32	196	210
Діоксид вуглецю (СО2)	44	1,977	0,33	57	78
Монооксид вуглецю (СО)	28	1,25	0,32	191,5	205
Водень (Н2)	1	0,0898	0,25	253	259
Кисень (О2)	32	1,43	0,3	183	218

Відомо, що переважна більшість фізичних методів відокремлення однієї речовини від іншої у газовому (рідинному) середовищі базуються на різниці значень фізичних властивостей речовин. Такі методи як відстоювання або адсорбційне фільтрування працюють відповідно за рахунок різниці густин та розмірів молекул відокремлюваних речовин. За даними табл. Таблиця 2 .12 молярна маса, густина та розмір молекул азоту, як основного інертного газу, і монооксиду вуглецю, як основного горючого компоненту, однакові. Температури кипіння обох газів досить низькі, тобто процес зрідження газу із більшою температурою кипіння (СО) досить енергоємний і складний. Із цього робимо висновок, що для видалення азоту із суміші газів фізичні методи практично непридатні або їх застосування потребує складної апаратури і великих енергозатрат.

Видалення азоту із газової суміші хімічними методами є теж складним, тому що атоми у молекулі азоту мають міцний потрійний ковалентний зв'язок, і, як наслідок, молекула азоту у більшості випадків є хімічно нейтральною. Крім того, преважна більшість азотовмісних сполук є токсичними речовинами, тому утилізація продуктів хімічного очищення потребуватиме ще більших затрат і ускладнення технології.

Вуглекислий газ за своїми фізичними властивостями дещо відрізняється від монооксиду вуглецю, і теоретично можливе застосування фізичних методів очищення, таких як адсорбція, відстоювання чи зрідження, для відділення діоксиду вуглецю від монооксиду. Проте за простотою і вартістю процесу вони поступаються хімічному методу.

Хімічний метод видалення вуглекислого газу із газової суміші базується на хімічній реакції, яка проходить між ,власне, діоксидом вуглецю і вапняною водою:

СО2 + Са(ОН)2 → СаСО3↓ + Н2О (1)

Реакція проходить за нормальних умов і без каталізаторів. Продуктами реакції є хімічно нейтральні карбонат кальцію і вода. Крім того, карбонат кальцію після проведення кількох простих реакцій можна використовувати як сировину для добування вапняної води:

СаСО3 → СаО + СО2↑ (2)

СаО + Н2О → Са(ОН)2 (3)

Реакція (2) проходить при нагріванні (випалювання вапняку), а у ході реакції (3) виділяється теплота (гасіння вапна).

Видалення азоту із газової суміші є дуже складним процесом і застосування його в умовах даного виробництва є недоцільним.

До генераторного газу азот потрапляє із повітря, яким здійснюється наддув у активну зону газогенератора. Кисень повітря використовується для окиснення палива, а азот, як досить інертний газ, не бере участі у процесі генерації, і разом із утвореними горючими компонентами, окрім вуглекислого газу, транспортується на вихід із газогенератора. Для того щоб азот не входив до складу генераторного газу потрібно повітря замінити на інший вид окисника. У ролі окисника може слугувати цілий ряд хімічних речовин, проте найдоступнішими із них є водяна пара чи кисень. При використанні води у якості окисника у результаті газифікації отримується водяний газ:

Н2О + С → СО↑ + Н2↑ (4)

який має наступний склад по об’єму: монооксид вуглецю 44%, водень 45%, вуглекислий газ 5%, азот 6%. Присутність невеликої кількості азоту у водяному газі спричинена циклічною роботою газогенератора. Виробництво водяного газу досить складний процес, який потребує спеціально обладнаного газогенератора та систему автоматичного керування.

Отримати генераторний газ із мінімальною кількістю азоту, при цьому значно не ускладнюючи конструкцію, можливо шляхом використання чистого кисню (90 – 95%) у якості окисника. Все ж інше обладнання, яке використовувалось при окисненні киснем повітря залишається незмінним. При цьому є два варіанти вибору джерела кисню: стиснений кисень у балонах та використання кисневого генератора. Із точки зору технології виробництва та охорони праці на виробництві, використання стисненого у балонах кисню не забезпечить якісне керування робочими процесами, та і сам процес виробництва зробить значно небезпечнішим. Альтернативним варіантом є використання кисневого генератора високої продуктивності у якості джерела кисню.