Топливо метанол - Methanol fuel

Топливо метанол альтернатива биотопливо для двигателей внутреннего сгорания и других двигателей, либо в сочетании с бензин или самостоятельно. Метанол (CЧАС3ОЧАС ) дешевле в производстве, чем этанол топливо, хотя в целом он более токсичен и имеет более низкую плотность энергии. Однако для оптимизации характеристик двигателя и доступности топлива смесь этанола, метанола и нефти, вероятно, будет предпочтительнее использования любого из них по отдельности.[нужна цитата ] Метанол (а метильная группа связан с гидроксильная группа ) могут быть получены из углеводородных или возобновляемых ресурсов, в частности натуральный газ и биомасса соответственно. Его также можно синтезировать из CO2 (углекислый газ ) и водород.[1] В настоящее время метанол используется в гоночных автомобилях во многих странах, но в остальном не получил широкого распространения.

История и производство

Исторически впервые метанол был получен методом деструктивной перегонки (пиролиз ) дерева, в результате чего его общепринятое английское название древесный спирт.

В настоящее время метанол обычно производится с использованием метан (главный компонент натуральный газ ) в качестве сырья. В Китае метанол производится в качестве топлива из угля.

«Биометанол» может производиться газификация органических материалов синтез-газ с последующим традиционным синтезом метанола. Этот маршрут может предложить производство метанола из биомассы с эффективностью до 75%.[нужна цитата ] Широко распространенное производство по этому маршруту имеет предполагаемый потенциал для предложения метанольного топлива по низкой цене и с пользой для окружающей среды (см. Ниже ссылки Hagen, SABD и Olah). Однако эти методы производства не подходят для мелкосерийное производство.[нужна цитата ]

В последнее время метанольное топливо производят с использованием возобновляемых источников энергии и двуокиси углерода в качестве сырья. Carbon Recycling International исландско-американская компания завершила в 2011 году строительство первого завода по производству возобновляемого метанола промышленного масштаба.[2]

Основное использование топлива

Во время ОПЕК Нефтяной кризис 1973 года, Рид и Лернер (1973) предложили метанол из угля в качестве проверенного топлива с хорошо отработанной технологией производства и достаточными ресурсами для замены бензина.[3] Хаген (1976) рассмотрел перспективы синтеза метанола из ископаемых и возобновляемых ресурсов, его использование в качестве топлива, экономику и опасности.[4] Затем, в 1986 году, Шведская компания Motor Fuel Technology Co. (SBAD) тщательно проанализировала использование спиртов и спиртовых смесей в качестве моторного топлива.[5] Он рассмотрел потенциал производства метанола из природного газа, очень тяжелых нефтей, битуминозных сланцев, угля, торфа и биомассы. Нобелевская премия победитель Джордж А. Олах, Г. К. Сурья Пракаш и Ален Гепперт выступали за метанольная экономика основан на хранении энергии в синтетическом метаноле.[6][7] Институт метанола, организация по торговле метанолом, публикует отчеты и презентации о метаноле. Директор Грегори Долан представил в Китае мировую отрасль производства метанольного топлива в 2008 году.[8]

26 января 2011 г. Евросоюз с Генеральный директорат по конкуренции одобрил Шведское энергетическое агентство награда в 500 миллионов Шведская крона (около 56 млн евро по состоянию на январь 2011 г.) на строительство экспериментального объекта промышленного масштаба в размере 3 млрд шведских крон (около 335 млн евро). биотопливо завод по производству Биометанол и БиоДМЭ на Домсйо Фабрикер комплекс биопереработки в Örnsköldsvik, Швеция, используя Chemrec's черный щелок газификация технологии.[9]

Использует

Топливо для двигателей внутреннего сгорания

И метанол, и этанол горят при более низких температурах, чем бензин, и оба менее летучие, что затрудняет запуск двигателя в холодную погоду. Использование метанола в качестве топлива в двигателях с искровым зажиганием может обеспечить повышенный термический КПД и увеличенную выходную мощность (по сравнению с бензином) из-за его высокой октановое число (114[10]) и высокой теплотой испарения. Однако его низкое энергосодержание 19,7 МДж / кг и стехиометрический Соотношение воздух-топливо 6,42: 1 означает, что расход топлива (по объему или массе) будет выше, чем углеводород топливо. Образовавшаяся дополнительная вода также делает заряд довольно влажным (аналогично двигателям водородно-кислородного внутреннего сгорания), а из-за образования кислотных продуктов во время сгорания износ клапанов, седел клапанов и цилиндра может быть выше, чем при сжигании углеводородов. В топливо могут быть добавлены определенные присадки для нейтрализации этих кислот.

Метанол, как и этанол, содержит растворимые и нерастворимые загрязнители.[11] Эти растворимые загрязнители, галогенид-ионы, такие как ионы хлорида, оказывают большое влияние на коррозионную активность спиртовых топлив. Галогенид-ионы усиливают коррозию двумя способами; они химически воздействуют на пассивирующие оксидные пленки на некоторых металлах, вызывая точечную коррозию, и повышают проводимость топлива. Повышенная электрическая проводимость вызывает электрическую, гальваническую и обычную коррозию топливной системы. Растворимые загрязнители, такие как гидроксид алюминия, который сам по себе является продуктом коррозии галогенид-ионами, со временем забивает топливную систему.

Метанол (в автомобильном смысле) гигроскопичный, что означает, что он будет поглощать водяной пар непосредственно из атмосферы.[12] Поскольку абсорбированная вода снижает топливную ценность метанола (хотя и подавляет детонацию двигателя) и может вызвать разделение фаз в смесях метанол-бензин, емкости с топливом на основе метанола должны храниться плотно закрытыми.

По сравнению с бензином, метанол более устойчив к рециркуляция выхлопных газов (EGR), что улучшает топливную экономичность двигатель внутреннего сгорания использование Цикл Отто и искровое зажигание.[13]

Кислотный, хотя и слабый, метанол разрушает оксидное покрытие, которое обычно защищает алюминий от коррозии:

6 кан.3OH + Al2О3 → 2 Al (OCH3)3 + 3 часа2О

Результирующий метоксид соли растворимы в метаноле, в результате получается чистая поверхность алюминия, которая легко окисляется растворенный кислород. Также метанол может действовать как окислитель:

6 кан.3OH + 2 Al → 2 Al (OCH3)3 + 3 часа2

Этот взаимный процесс эффективно разжигает коррозию до тех пор, пока не выветрится металл или не произойдет концентрация CH3ОН незначительно. Коррозионное действие метанола было устранено с помощью совместимых с метанолом материалов и топливных присадок, которые служат ингибиторами коррозии.

Органический метанол, произведенный из древесины или других органических материалов (биоспирт ), был предложен в качестве возобновляемой альтернативы нефти на основе углеводороды. Низкие уровни метанола можно использовать в существующих транспортных средствах с добавлением сорастворителей и ингибиторов коррозии.

Гонки

Чистый метанол требуется по правилам для использования в Champcars, Грузовики-монстры, USAC спринтерские автомобили (а также карлики, доработки, и Т. Д.) и другие серии для бездорожья, такие как Мир Изгоев, и Мотоцикл Speedway в основном потому, что в случае аварии метанол не производит непрозрачного облака дыма. С конца 1940-х годов метанол также используется в качестве основного топливного ингредиента в энергетических установках для радиоуправление, линия управления и свободный полет модель самолета (Смотри ниже), легковые и грузовые автомобили; такие двигатели используют платина нить свеча накаливания который воспламеняет пары метанола в результате каталитической реакции. Drag Racers, грязевые гонщики и сильно модифицированные съемники тракторов также используют метанол в качестве основного источника топлива. Метанол требуется для двигателя с наддувом в Лучший алкогольный драгстер и до конца сезона 2006 года все машины в Индианаполис 500 пришлось работать на метаноле. В качестве топлива для гонщиков по грязи, метанол, смешанный с бензином и оксид азота производит больше энергии, чем только бензин и закись азота.

Начиная с 1965 г., чистый метанол широко использовался в USAC Инди автомобиль конкурс, который в то время включал Индианаполис 500.

Безопасность была преобладающим фактором для принятия топлива метанола в гоночных категориях Соединенных Штатов с открытыми колесами. В отличие от нефтяных пожаров, метаноловые пожары могут быть погашен простой водой. Огонь на основе метанола горит невидимо, в отличие от бензина, который горит видимым пламенем. Если на трассе возникает пожар, нет пламени или дыма, которые закрывают обзор быстро приближающихся водителей, но это также может задержать визуальное обнаружение пожара и начало тушения пожара. Авария с семью автомобилями на втором круге 1964 Индианаполис 500 привело к USAC решение поощрять, а затем и санкционировать использование метанола. Эдди Сакс и Дэйв Макдональд погибли в авиакатастрофе, когда их бензин взорвались автомобили, заправленные топливом. Возгорание, вызванное бензином, создало опасное облако густого черного дыма, которое полностью закрыло вид на трассу для встречных машин. Джонни Резерфорд, один из других участвовавших водителей, управлял автомобилем, работающим на метаноле, из которого также произошла утечка после аварии. Хотя этот автомобиль сгорел от удара первого огненного шара, он образовал гораздо меньший ад, чем бензиновые автомобили, и тот, который горел невидимо. Это свидетельство и давление со стороны Звезда Индианаполиса писатель Джордж Мур, привел к переходу на спиртосодержащее топливо в 1965 году.

Метанол использовался КОРЗИНА цепь на протяжении всей кампании (1979–2007 гг.). Он также используется многими организациями, занимающимися шорт-треком, особенно малолитражками, спринтерскими автомобилями и автострада велосипеды. Чистый метанол использовался IRL с 1996-2006 гг.

В 2006 году в партнерстве с этиловый спирт промышленность, IRL в качестве топлива использовала смесь 10% этанола и 90% метанола. С 2007 года IRL перешел на «чистый» этиловый спирт, E100.[14]

Топливо метанол также широко используется в дрэг-рейсинг, прежде всего в Верхний алкоголь категории, в то время как от 10% до 20% метанола может использоваться в Топ Топливо классы в дополнение к Нитрометан.

Формула один гонки продолжают использовать бензин в качестве топлива, но в предвоенных гонках Гран-при метанол часто использовался в качестве топлива.

Метанол также используется в Монстр грузовик гонки.

Топливо для модельных двигателей

Раннее модели двигателей за свободный полет модель самолета летал до конца Второй мировой войны использовали смесь 3: 1 белый газ и моторное масло высокой вязкости для двухтактных двигателей с искровым зажиганием, используемых в то время для хобби. К 1948 году новый свеча накаливания - двигатели с моделями зажигания начали захватывать рынок, требуя использования метанольного топлива для реакции в каталитический реакция со спиральным платина нить накаливания свечи накаливания для работы двигателя, обычно с использованием касторовое масло смазочный материал на основе смеси, содержащийся в топливной смеси в соотношении примерно 4: 1. Разнообразие моделей двигателей с калильным зажиганием, поскольку для них больше не требуется бортовой аккумулятор, катушка зажигания, точки воспламенения и конденсатор, который требовался для модели двигателя с искровым зажиганием, экономил ценный вес и позволял модели самолета иметь лучшие летные характеристики. В их традиционно популярных двухтактных и все более популярных четырехтактных формах, производимые в настоящее время одноцилиндровые двигатели накаливания, работающие на метаноле, являются обычным выбором для радиоуправляемый самолет для использования в развлекательных целях, для двигателей размером от 0,8 см3 (0,049 куб. Дюйма) до 25-32 см3 (1,5-2,0 куб.дюйма) рабочий объем и значительно больший рабочий объем для двух- и многоцилиндровых двигателей с оппозитными цилиндрами и радиальной конфигурации авиадвигателей, многие из которых имеют четырехтактную конфигурацию. Большинство модельных двигателей, работающих на метаноле, особенно те, которые произведены за пределами Северной Америки, могут легко работать на так называемых FAI -спецификация метанольного топлива. Такие топливные смеси могут потребоваться FAI для определенных мероприятий в так называемых ФАИ «Класс F» международные соревнования, запрещающие использование нитрометан как топливный компонент тлеющих двигателей. Напротив, фирмы в Северной Америке, которые производят модели двигателей, работающих на метаноле, или которые базируются за пределами этого континента и имеют крупный рынок в Северной Америке для таких миниатюрных силовых установок, как правило, производят двигатели, которые могут и часто работают лучше всего с определенным процентом нитрометана в топливе, который при использовании может составлять от 5% до 10% от объема и может составлять от 25 до 30% от общего объема топлива.

Готовка

Метанол используется в качестве топлива для приготовления пищи в Китае, и его использование в Индии растет.[15] Его печь и канистра не нуждаются в регуляторах или трубах.[15]

Токсичность

Метанол естественным образом присутствует в организме человека и в некоторых фруктах, но в высокой концентрации он ядовит. Прием внутрь 10 мл может вызвать слепоту, а 60–100 мл может быть смертельным, если это состояние не лечить.[16] Как и многие летучие химические вещества, метанол не нужно проглатывать, чтобы он был опасен, поскольку жидкость может всасываться через кожу, а пары - через легкие. Топливо на основе метанола намного безопаснее при смешивании с этанолом даже при относительно низком процентном содержании этанола.

Максимально допустимое воздействие на воздухе в США (40 часов в неделю) составляет 1900 мг / м3 для этанола 900 мг / м3 для бензина, и 1260 мг / м3 для метанола. Однако он намного менее летуч, чем бензин, и, следовательно, имеет более низкие выбросы в результате испарения, что снижает риск воздействия при эквивалентном разливе. Хотя метанол предлагает несколько иные пути воздействия токсичности, эффективная токсичность не хуже, чем у бензола или бензина, и отравление метанолом гораздо легче успешно лечить. Одна из серьезных проблем заключается в том, что отравление метанолом обычно необходимо лечить, пока оно еще бессимптомный для полного выздоровления.

Риск при вдыхании снижается за счет характерного резкого запаха. При концентрациях более 2000 ppm (0,2%) это обычно весьма заметно, однако более низкие концентрации могут оставаться незамеченными, но при этом оставаться потенциально токсичными при более длительном воздействии и могут представлять опасность пожара / взрыва. Опять же, это похоже на бензин и этанол; стандартные протоколы безопасности существуют для метанола и очень похожи на протоколы для бензина и этанола.

Использование метанольного топлива снижает выбросы в выхлопные газы некоторых токсинов, связанных с углеводородами, таких как бензол и 1,3-бутадиен, и значительно сокращает долгосрочные выбросы. загрязнение подземных вод вызванные разливами топлива. В отличие от бензольного топлива, метанол будет быстро и нетоксично биоразлагаться без долгосрочного вреда для окружающей среды, если он достаточно разбавлен.

Пожарная безопасность

Метанол гораздо труднее воспламенить, чем бензин, и он горит примерно на 60% медленнее. При горении метанола выделяется энергия примерно на 20% от скорости горения бензина, в результате чего пламя становится намного холоднее. Это приводит к гораздо менее опасному пожару, который легче локализовать с помощью соответствующих протоколов. В отличие от бензиновых возгораний, вода является приемлемой и даже предпочтительной в качестве средства пожаротушения при возгорании метанола, поскольку она одновременно охлаждает огонь и быстро разбавляет топливо ниже концентрации, при которой оно сохраняет самовоспламеняемость. Эти факты означают, что в качестве автомобильного топлива метанол имеет большие преимущества в плане безопасности по сравнению с бензином.[17] Этанол обладает многими из этих преимуществ.

Поскольку пары метанола тяжелее воздуха, они будут задерживаться у земли или в яме, если там нет хорошей вентиляции, а если концентрация метанола в воздухе выше 6,7%, он может загореться от искры и взорваться при температуре выше 54 F / 12 C. После возгорания неразбавленный метанол излучает очень мало видимого света, что делает потенциально очень трудным увидеть огонь или даже оценить его размер при ярком дневном свете, хотя в подавляющем большинстве случаев существующие загрязнители или воспламеняющиеся вещества в огонь (например, шины или асфальт) окрашивает и улучшает видимость огня. Этанол, природный газ, водород и другие существующие виды топлива создают аналогичные проблемы пожарной безопасности, и для всех таких видов топлива существуют стандартные протоколы безопасности и пожаротушения.[18]

Снижению последствий послеаварийного экологического ущерба способствует тот факт, что метанол с низкой концентрацией является биоразлагаемым, малотоксичным и нестойким в окружающей среде. Для очистки после пожара часто просто требуется большое количество воды для разбавления пролитого метанола с последующим вакуумированием или абсорбционным восстановлением жидкости. Любой метанол, который неизбежно попадает в окружающую среду, будет иметь небольшое долгосрочное воздействие, а при достаточном разбавлении будет быстро биоразлагаться с минимальным или нулевым ущербом окружающей среде из-за токсичности. Разлив метанола, который сочетается с существующим разливом бензина, может привести к тому, что разлив смешанного метанола / бензина будет сохраняться примерно на 30-35% дольше, чем это было бы при использовании одного бензина.[18][19][20]

Использовать

В 2019 году было использовано почти 100 миллионов тонн метанола, в основном для химической промышленности.[21]

Соединенные Штаты

С 1980 по 1990 год в штате Калифорния проводилась экспериментальная программа, которая позволяла любому переоборудовать бензиновый автомобиль.[нечеткий ] до 85% метанола с 15% добавками по выбору. Более 500 автомобилей были переоборудованы в системы с высокой степенью сжатия и специально для этого использовались метанол и этанол 85/15.

В 1982 г. большая тройка каждому из них было выделено по 5 000 000 долларов на дизайн и контракты на закупку 5 000 автомобилей государством. Это было раннее использование низкого сжатия гибкие топливные автомобили.

В 2005 году губернатор Калифорнии, Арнольд Шварцнеггер, прекратили использование метанола, чтобы присоединиться к расширяющемуся использованию этанола, вызванному производителями кукурузы. В 2007 году этанол стоил от 3 до 4 долларов за галлон (от 0,8 до 1,05 доллара за литр) на насосе, в то время как метанол, полученный из природного газа, оставался на уровне 47 центов за галлон (12,5 центов за литр) наливом, а не на насосе.

В настоящее время в Калифорнии нет действующих заправочных станций, снабжающих метанолом своими насосами. Элиот Энгель [D-NY17] представил в Конгрессе Закон об открытом топливном стандарте: «Требовать от производителей автомобилей обеспечить, чтобы не менее 80 процентов автомобилей, производимых или продаваемых в Соединенных Штатах каждым таким производителем, работали на топливных смесях, содержащих 85 процентов этанола, 85 процентов метанола или биодизеля ».[22]

Евросоюз

Измененная Директива по качеству топлива, принятая в 2009 году, допускает подмешивание метанола в бензин до 3% об. / Об.[23]

Бразилия

Стремление добавить заметное процентное содержание метанола в бензин было очень близко к реализации в Бразилия после экспериментального испытания, проведенного группой ученых по смешиванию бензина с метанолом в период с 1989 по 1992 год. Крупномасштабный экспериментальный эксперимент, который должен был быть проведен в Сан-Паулу на него в последнюю минуту наложил вето мэр города из-за опасений за здоровье работников АЗС, от которых не ожидается, что они будут соблюдать меры предосторожности. По состоянию на 2006 г., идея так и не появилась.

Индия

Нити Аайог, Комиссия по планированию Индии 3 августа 2018 года объявила, что, если это возможно, легковые автомобили будут работать на смешанном топливе с содержанием 15% метанола. В настоящее время в автомобилях Индии используется топливо, содержащее до 10% этанола. В случае одобрения правительством это снизит ежемесячные расходы на топливо на 10%. В Индии этанол стоит 42 рупии за литр, в то время как цена метанола оценивается менее чем в 20 рупий за литр.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Технологии". Carbon Recycling International. 2011. Архивировано с оригинал 17 июня 2013 г.. Получено 11 июля 2012.
  2. ^ «Первый коммерческий завод». Carbon Recycling International. Архивировано из оригинал 3 июля 2013 г.. Получено 11 июля 2012.
  3. ^ Рид, Том Б .; Лернер, Р. (Декабрь 1973 г.). «Метанол: универсальное топливо для немедленного использования» (PDF). Наука. 182 (4119): 1299–1304. Bibcode:1973Научный ... 182.1299R. Дои:10.1126 / science.182.4119.1299. PMID  17733096. Архивировано из оригинал (PDF) на 28 января 2005 г.
  4. ^ Хаген, Дэвид Л. (декабрь 1976 г.). Метанол: его синтез, использование в качестве топлива, экономика и опасности. Управление энергетических исследований и разработок (ERDA). NTIS № NP-21727.
  5. ^ Шведская компания Motor Fuel Technology Co. (1986). Спирты и смеси спиртов в качестве моторного топлива, Том II A и Том II B. Отчет о современном состоянии. Шведский национальный совет по техническому развитию. ISBN  91-7850-156-3.
  6. ^ Джордж А. Олах (2005). «Помимо нефти и газа: экономика метанола». Angewandte Chemie International Edition. 44 (18): 2636–2639. Дои:10.1002 / anie.200462121. PMID  15800867.
  7. ^ Помимо нефти и газа: экономика метанола , Джордж А. Олах, Ален Гепперт, Г. К. Сурья Пракаш, Wiley-VCH, 2006, 2-е издание 2009, 3-е издание 2018.
  8. ^ Долан, Грегори (01.10.2008). «Метанольное топливо: время пришло» (PDF). Институт метанола. Международный симпозиум по алкогольному топливу, Тайюань, Китай.[постоянная мертвая ссылка ]
  9. ^ Пресс-релиз ЕС IP / 11/67 от 26.11.2011
  10. ^ Бертон, Джордж; Холман, Джон; Лазонби, Джон (2000). Продвинутая химия Солтерса: химические истории (2-е изд.). Heinemann. ISBN  0-435-63119-5
  11. ^ Бринкман Н., Холсалл Р., Йоргенсен С. В. и Кирван Дж. Э. «Разработка улучшенных технических условий на топливо для метанола (M85) и этанола (Ed85)», SAE Технический документ 940764
  12. ^ «Часто задаваемые вопросы о метаноле». Метанекс. 2011-09-13. Архивировано из оригинал на 2012-10-20. Получено 2013-06-22.
  13. ^ Силегхем, Луи; Ван Де Гинсте, Маартен (21.10.2011). «Метанол как топливо для современных двигателей с искровым зажиганием: исследование эффективности» (PDF). Кафедра механики потока, тепла и горения. Гентский университет. Гент, Бельгия. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-09-10. Получено 2017-04-07. Результаты на двигателе Audi показывают, что метанол более устойчив к рециркуляции отработавших газов, чем бензин, из-за более высокой скорости пламени. При использовании метанола был обнаружен допуск EGR 27%. Эффективность двигателя, работающего на метаноле, полученного с помощью EGR, выше, чем у двигателя с дросселированием, стехиометрическим.
  14. ^ Подробнее об этаноле В архиве 16 июня 2006 г. Wayback Machine
  15. ^ а б «Запуск программы производства топлива для приготовления метанола в Индии». Архивировано из оригинал на 2019-03-14.
  16. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2008-09-15. Получено 2008-08-13.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  17. ^ (PDF) http://www.methanol.org/pdf/SummaryofFireSafetyImpactsofMethanolasaTransportat.pdf. Получено 28 февраля, 2011. Отсутствует или пусто | название = (помощь)[мертвая ссылка ]
  18. ^ а б «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2011-07-28. Получено 2011-02-28.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  19. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-26. Получено 2011-02-28.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  20. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2010-12-12. Получено 2011-02-28.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  21. ^ «Новая водородная реальность: топливо из ветра и воды». siemens-energy.com Глобальный веб-сайт. В архиве из оригинала 5 декабря 2020 года. Он используется в больших количествах (более 98 млн т в 2019 г.), прежде всего как сырье для химикатов (80%) и в меньших объемах как энергоноситель (20%).
  22. ^ "111 Конгресс, H.R. 1476: Закон об открытых стандартах на топливо". 2009.
  23. ^ «Директива 2009/30 / EC Европейского Союза и Совета». 2009.
  24. ^ Шарма, Йогима Сетх; Арора, Раджат (2018-08-03). «Niti Aayog может протестировать план по запуску бензиновых автомобилей на 15% метаноле». The Economic Times.

внешняя ссылка