Полная версия

Главная arrow Техника arrow Авиационная экология. Воздействие авиационных горюче-смазочных материалов на окружающую среду

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Экологически «чистые» авиаГСМ

Понятие «экологически безопасный» горюче-смазочный материал в определенной степени условно и относительно, поскольку любой техногенный продукт, как и процесс его производства, в той или иной степени представляет опасность для биосферы.

Альтернативные топлива

Мировое потребление топлив, получаемых из нефтяного сырья, непрерывно возрастает при быстром сокращении запасов нефти в районах традиционной ее добычи. В то же время происходит накопление вредных веществ в атмосфере, воде и

почве. Естественный процесс ассимиляции вредных веществ в природе уже не успевает за их поступлением. Возникшие проблемы в значительной мере могут быть решены при широком использовании альтернативных топлив: Нг, СН4, газовых топлив, получаемых из природного и нефтяного газа (АСКТ), продуктов конверсии углеводородного топлива (СО + Щ и др.

Водород является топливом с наибольшей массовой энергоемкостью. Он имеет значительно лучшие показатели горения, чем традиционные виды углеводородных топлив. Для него характерны высокая скорость распространения пламени, широкие пределы устойчивого горения, хорошая воспламеняемость. Так, скорость горения водорода на порядок выше, чем углеводородных топлив (рис. 1.21). Причина этого заключается в глубокой разнице между реакциями горения водорода и углеводородов. Горение водорода -это классический пример разветвленной цепной реакции, которая протекает очень быстро [83]. Горение углеводородов - более сложный процесс, начинается он как вырожденная цепная реакция. По мере увеличения температуры скорость реакции растет, и на заключительной стадии горение углеводородов приобретает характер разветвленной цепной реакции [84]. Водород удовлетворяет многим требованиям, предъявляемым к топливу будущего для авиации. Преимущества водорода как авиационного топлива могут существенно улучшить характеристики летательных аппаратов различных классов, однако больший эффект от его внедрения следует ожидать в авиации гиперзвуковых скоростей. К достоинствам водорода как авиационного топлива следует отнести следующие его качественные характеристики [85]:

  • 1) жидкий водород легко испаряется и быстро распространяется по объему камеры сгорания, что способствует быстрому запуску двигателя;
  • 2) незначительная энергия и широкие пределы воспламенения водородо-воздушных смесей также способствуют быст-

рому запуску двигателя при различных температурах окружающей среды и на различных высотах;

  • 3) водород при сгорании дает пламя с низкой излучательной способностью и сгорает без нагарообразования, что позволяет увеличить ресурс и надежность двигателей;
  • 4) водород не содержит в своем составе коррозионноагрессивных примесей, например, сернистых соединений, поэтому его коррозионная активность мала по сравнению с углеводородными горючими.

С?и; м/сек

Содержание газа в смеси в %

Рис. 1.21. Нормальная скорость распространения пламени в зависимости от содержания горючего в воздухе [84]:

  • 1 - водород; 2 - оксид углерода;
  • 3 - смесь водорода и оксида углерода;
  • 4 - метан; 5 - этан; 6 - этилен;
  • 7 - светильный газ; 8 - генераторный газ

Высокая массовая теплота сгорания водорода (121000 кДж/кг), примерно в 2,8 раза превышающая теплоту сгорания углеводородных горючих, позволяет значительно повысить эффективность авиационных двигателей, уменьшить удельный расход горючего, уменьшить массу и габариты двигателя.

Водород дает минимум загрязнения окружающей среды. При горении водорода не образуются такие вредные продукты, как СО, СОг, ЗОх, ПАУ, частицы сажи; выделяются в основном водяные пары и оксиды азота.

К основным недостаткам водорода как авиационного топлива относятся его малая плотность и низкая температура кипения, вследствие чего на самолете требуются очень большие топливные баки с тяжелой системой теплоизоляции. В настоящее время водород не может быть реальной альтернативой керосину, так как имеет высокую стоимость производства, его внедрение потребует новой инфраструктуры аэропортов, существенных изменений в конструкции самолета и повлечет значительные затраты. Однако для создания базы по использованию водорода в качестве топлива уже сегодня ведутся исследования и разработки [86-90], которые могут быть реализованы в XXI веке.

В 2000 г. основана Европейская Водородная Ассоциация, которая объединила уже существующие национальные союзы развития водородной технологии Франции, Италии, Норвегии, Швеции, Германии, Швейцарии, Голландии [90].

Основным сырьем для получения водорода служит природный газ, состоящий в основном из метана. Имеются [91] сведения о ряде нефтеперерабатывающих заводов, на которых получают водород из тяжелых фракций нефти.

По российско-немецкой программе «Криоплан» (с использованием самолета А-310) исследуется работа двигателей на водороде [86]. Для перевода двигателей на водородное топливо потребуется их незначительная модификация. Для первых полетов в качестве базового планируется использовать самолет для местных авиалиний «Дорнье-328».

Запатентована [88] схема ГТД, использующего в качестве топлива водород. ГТД имеет 3 турбины. Первая из них работает непосредственно на продуктах сгорания топлива. Вторая турбина использует газы, прошедшие через регенеративный теплообменник. Отходящие газы из третьей турбины используются для охлаждения конструкции первой турбины.

Метан является привлекательным авиационным топливом, особенно для сверхзвукового транспорта [92], хотя он обладает меньшей массовой энергоемкостью, чем водород. Теплота сгорания криогенного метанового топлива (КМТ) составляет 39100 кДж/м3 [61].

Метановое топливо КМТ относится к криогенным жидкостям с температурой кипения минус 168-150° С при атмосферном давлении. КМТ получают из природного или глубоко отбензиненного нефтяного газа. Топливо содержит не менее 86% СН4 , в нем практически отсутствуют сернистые соединения и нет тяжелых углеводородов, особенно ароматических, наиболее склонных к образованию ПАУ (табл. 1.3). При горении метанового топлива образование SOx и ПАУ, если и возможно, то в значительно меньших количествах по сравнению с их образованием при горении штатных авиационных топлив типа ТС-1, РТ и др., т.е. экологическое преимущество КМТ весьма велико.

Показатели топлива на основе природного

газа (ТУ 51-03-85)

Показатель

Норма

Состав, % (об.):

СН4

92±6

с2нб

4±3

с3н8

2,5±1,5

N2

1,5±1,5

Содержание сероводорода и меркаптановой серы, % (масс.), не более

0.005

Теплота сгорания низшая, при температуре 20°С, кДж/м3, не менее

39100

Основные проблемы, связанные с применением метана, обусловлены его малой плотностью и низкой температурой кипения. Метан требует большего на 70% объема топливных баков, чем современные сорта керосинов (хотя и значительно меньшего, чем водород). К проблемам использования метана относятся также конденсация атмосферной влаги, приводящая к обледенению крыльев, и потери топлива из-за кипения его на режиме набора высоты [93].

Предложено [94, 95] газовое топливо, получившее название АСКТ - авиационное сконденсированное топливо. Это топливо представляет собой смесь легких парафиновых углеводородов Сз...Сб. На АСКТ оформлены технические условия (ТУ 39-1547-91). Топливо может производиться на любом ГПЗ, НПЗ и на малогабаритных блочных установках (МГБУ). Средства хранения и транспортирования имеются. Наземная инфраструктура может быть создана на базе выпускаемого промышленностью технологического оборудования.

Стендовые испытания вертолетного двигателя ТВ2-117А на газовом топливе на заводе им. В.Я. Климова, начатые по

инициативе ЦИАМ и ЦАГИ, показали, что эксплуатационные характеристики двигателя такие же, как на авиакеросине, а некоторые даже лучше. Использование АСКТ на ГТД потребует только незначительной доработки топливной системы, которая может быть выполнена во время ремонтных работ на ремонтных заводах.

Летные заводские испытания экспериментального вертолета Ми-8ТГ, проведенные в 1987 г. ОКБ им. М.Л. Миля при участии ЦИАМ и ЦАГИ, подтвердили высокую работоспособность вертолета на газовом топливе на всех режимах и высотах полета.

В конце 90-х годов на МВЗ им. М. Л. Миля при участии ЦИАМ и ОАО «Интеравиагаз» был создан и начал проходить испытания первый промышленный образец вертолета Ми-8ТГ с двигателями, работающими как на АСКТ, так и на авиакеросине. Вертолет Ми-8ТГ демонстрировался в полете на Международном авиакосмическом салоне в г.Жуковском в 1995 г.

В работе [96] обсуждаются проблемы и возможности, связанные с получением и использованием продуктов конверсии углеводородного топлива - СО и Н2. Смесь СО и Н2 характеризуется высокой эффективностью горения (рис. 1.21). При горении смеси СО и Н2 скорость горения СО многократно увеличивается из-за генерации водородных и гидроксильных радикалов, поддерживающих процесс окисления СО благодаря цепным реакциям:

О'+Н2=ОН+ЬГ;

ОН + СО = С02 + IT;

нЧо2=он+о-

Конверсия жидкого углеводородного топлива может быть осуществлена путем неполного окисления топлива кислородом воздуха.

2СН2 + 02 = 2 СО + 2Н2,

где СН2 - условно упрощенная химическая формула керосина.

На рис. 1.22 представлены возможные схемы газогенераторов для конверсионного преобразования углеводородного топлива. Наиболее простым является газогенератор, основанный на принципе неполного сжигания топлива (а). Перспективным, с точки зрения улучшения экологических показателей, выглядит применение газогенератора с каталитическим наполнителем (б). Такой газогенератор имеет активную зону, наполненную катализатором на основе керамики. Сквозь катализатор подают воздух при температуре 500° С и газообразное топливо. Используют также паровую конверсию [97], термохимическое разложение [97], плазменное воздействие на химические реакции [98-100]. Плазменный конвертер - наиболее вероятный кандидат на роль одностадийного конвертера углеводородного топлива.

Использование продуктов конверсии углеводородного топлива в несколько раз улучшает экологические характеристики. На рис. 1.23 изображены уровни эмиссии N0 и СО для ГТУ, работающих на керосине, природном газе и продуктах окислительной конверсии углеводородного топлива. Пунктирными линиями представлены предельно допустимые концентрации N0 и СО по действующим в настоящее время ГОСТ. Как видно, применение камеры сгорания, работающей на продуктах конверсии углеводородного топлива, позволяет снизить концентрации N0 и СО более чем на порядок ниже уровня, допускаемого ГОСТ.

Наряду с разработкой альтернативных экологобезопасных топлив проводятся исследования по улучшению экологических свойств традиционных топлив, в частности, по обессериванию [91, 101, 102]. Так, совместное предприятие, созданное фирмами Германии и Венесуэллы [91], проводит расширение внедрения процесса обессеривания бензина.

Воздух

20°С

а~1

а < 1 -

V _

Топливо

СО; Н2; N2

Активная зона | (каталитический блох)

Воздух

500-г700°С

СО; Н2; Ы2

Топливо

б)

Рис. 1.22. Схемы газогенераторов для окислительной конверсии углеводородного топлива: а) - с неполным сжиганием топлива; б) - каталитического типа

Разработан [101] метод для обессеривания бензина. Топливо пропускают через слой реагента с никелем, реагирующим со всеми сероорганическими соединениями в топливе с образованием сульфида никеля. Содержание серы снижается до < 5-104 %.

  • 1000
  • 100
  • 10

СО по ГОСТ 18775-90

3

Изменение концентрации вредных веществ

Рис. 1.23. Изменение концентрации вредных веществ

в выхлопных газах ГТУ:

  • 1 - ГТУ 55 СТ-20 на керосине;
  • 2 - современная ГТУ на природном газе;
  • 3 - перспективная ГТУ с камерой сгорания на продуктах конверсии углеводородного топлива

N0 по ГОСТ 29328-92

Улучшается качество реактивных топлив. Гидроочистка реактивного топлива позволила существенно снизить содержание общей серы с 0,25 до 0,1% и меркаптановой серы с 0,005 до 0,001%. В таких странах, как США и Англия, используются в основном топлива, содержащие менее 0,3% общей серы и 0,003% меркаптановой серы [103].

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>