Водород какое горючее

Горючее на основе водорода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Дюкарев Ю.Ю., Голиковская К.Ф.

Предлагается обзор топлива на основе водорода, преимущества и недостатки, а также перспективы использования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Дюкарев Ю.Ю., Голиковская К.Ф.

Энергетическая установка для воздохоплавательного транспорта
Ракетные двигатели на метане
Возможности применения природного горючего в ракетных двигателях
Разработка тепловыделяющего элемента на основе высокометаллизированного безгазового топлива
Обзор нетрадиционных типов судовых энергетических установок
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Горючее на основе водорода»

Секция «Энергодвигательные установки и системы терморегулирования»

А. В. Веселов Научный руководитель — М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗДОХОПЛАВАТЕЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Рассматривается перспективная энергетическая установка на солнечной энергии для летательных аппаратов, типа дирижабль. Установка обеспечивает энергией летательные аппараты из трех источников: солнечная батарея, электрохимический генератор и электрогенератор.

Важнейшей составной частью современного дирижабля является его энергетическая установка (ЭУ), которая, как правило, включает в себя двигатели, запасы рабочего тела (при коротком периоде работы) или преобразователи энергии окружающей среды, в первую очередь солнечного излучения, в электрическую энергию при длительной работе.

С целью повышения энергетики современных дирижаблей нового поколения полезно при их создании использовать разработки энергетической установки (ЭУ) с опытом, накопленным в области космических технологий и разработок ЭУ.

В работе рассматривается схемное решение энергоустановки, в состав которой входят: солнечная батарея соединена с электролизером и блоком управления, к которому подключены электрохимический генератор, электрогенератор и электрический привод винта. Электролизер и электрохимический генератор пневматически связаны с блоками хранения и подачи водорода и кислорода, а гидравлически с блоками хранения и подачи воды.

В период наземной подготовки энергоустановки высотного дирижабля блок хранения и подачи водорода заправляют газообразным водородом, а блок хранения и подачи кислорода газообразным кислородом максимально допустимого давления (напри-

мер, 30 МПа) при температуре -50 °С. В момент старта открываются клапаны подачи водорода (блок подачи водорода) и клапаны подачи кислорода (блок подачи кислорода). В результате этого водород и кислород попадают электрохимический генератор, где часть этих газов в результате их химического взаимодействия превращается в воду, которая направляется в блок хранения и подачи воды, а генерируемое электричество подается в блок управления. Часть водорода после выхода из электрохимического генератора поступает в камеру сгорания, где происходит горение водорода с кислородом, пришедшим из камеры смешивания, с образованием парогазовой смеси высокой температуры (около 1000 °С), используемой для вращения турбины на валу установлены компрессор и электрогенератор. Таким образом, блок управления, регулирующий подачу электроэнергии на электрический привод винта снабжается электричеством из трех источников: солнечная батарея, электрохимический генератор и электрогенератор.

Опыт создания перспективных воздухоплавательных летательных аппаратов определяется продолжительностью разработки энергоустановки.

© Веселов А. В., Краев М. В., 2010

Ю. Ю. Дюкарев Научный руководитель — К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ГОРЮЧЕЕ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДА

Предлагается обзор топлива на основе водорода, преимущества и недостатки, а также перспективы использования.

Наиболее эффективные ракеты работают на жидком топливе, потому что химическая энергия жидких компонентов больше, чем твердых, а продукты их сгорания имеют меньшую молекулярную массу.

В качестве горючего в паре с кислородом чаще всего используются тяжелые углеводороды или жидкий водород. Теплота сгорания углеводородного горючего на единицу объема, например, очищенно-

го керосина или спирта, выше, чем водорода. Углеводородное топливо горит ярким оранжевым пламенем. Основными продуктами сгорания смеси кислород/углеводород являются углекислый газ и пары воды. Удельный импульс такого топлива может достигать 350 с [1].

Жидкий водород требует более глубокого охлаждения, чем жидкий кислород, однако его теплота сго-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

рания на единицу массы выше, чем у углеводородных горючих. Водород горит почти невидимым голубым пламенем. Основным продуктом сгорания ки-слородо-водородной смеси является перегретый водяной пар. Удельный импульс двигателей на этом топливе может достигать от 450 до 480 с в зависимости от конструкции двигателя. (Двигатели, использующие жидкий водород, обычно работают в режиме избытка горючего, что позволяет уменьшить массовый расход топлива и повысить экономичность.)

Не всегда легко сделать выбор между углеводородным горючим и жидким водородом. Обычно для первых ступеней ракет используют жидкое углеводородное (или смесевое твердое) топливо для прохождения плотных слоев атмосферы на первых минутах полета. Конечно, жидкий водород — очень эффективное горючее, однако из-за его малой плотности для первой ступени потребовались бы большие топливные баки, что привело бы к увеличению веса конструкции и лобового сопротивления ракеты. На больших высотах и в космосе чаще применяются водородные двигатели, где их преимущества проявляются в полной мере.

С точки зрения термодинамики жидкий водород -идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и

для турбины ТНА, в последнем случае даже не обязательно высокой температуры. Отличный охладитель, как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода турбины.

Наиболее распространенными топливами на основе водорода на настоящий момент являются керосин и гидразины.

В области развития ракетных двигателей стоит еще много нерешенных задач конструкторского, технологического, эксплуатационного, экономического и экологического характера. Совершенствование методов оценки водородных топлив позволит решать практические вопросы создания и рационального применения ракетных и реактивных топ-лив.

1. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. М. : Машиностроение, 1990.

© Дюкарев Ю. Ю., Голиковская К. Ф., 2010

И. Е. Емельянов Научный руководитель — М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА МЕТАНЕ

Рассмотрены перспективы развития ракетных двигателей на метане.

Природный газ (и его составляющая метан) как горючее с начала космической эры привлекал к себе внимание двигателистов. Сжиженный природный газ на 90 % и более состоит из метана. Он неядовит, коррозионно пассивен. При сгорании в кислороде при оптимальном соотношении окислитель/горючее (далее — Ок/Гор) дает экологически чистые газообразные продукты, состоящие из водяного пара и моно- и двуокиси углерода. По плотности метан в два раза легче керосина, но в шесть раз плотнее водорода. Энергетическая ценность его несколько выше, чем у керосина, но значительно ниже, чем у водорода.

Относясь к криогенным горючим, он рассматривается в паре с жидким кислородом. Теоретический удельный импульс топлива «жидкий кислород -жидкий метан» на 3,4 % выше, чем топлива «жидкий кислород — керосин», но на 20,5 % ниже, чем топлива «жидкий кислород — жидкий водород». По объемному удельному импульсу (достаточно условная величина, характеризующая энергетику топлива применительно к заданной емкости баков ракеты) метан уступает керосину. Следует сказать, что в

настоящее время прогресс в материаловедении привел к разработке относительно легких топливных баков, масса которых все в меньшей степени влияет на т.н. «сухую» массу ракеты.

Промышленность освоила получение сжиженного природного газа и метана в необходимых количествах, благодаря чему по стоимости он сопоставим с керосином, а для регионов, богатых нефтью (к которым относится и Россия), даже дешевле. Таким образом, для многоразовых носителей метановое топливо выгодно и из-за своей относительно малой удельной стоимости. Кроме того, в отличие от керосина (и его современных токсичных синтетических производных типа «синтина»), пятна пролива жидкого природного газа быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.

Из отрицательных качеств метана, кроме пониженной плотности, можно выделить низкую температуру кипения и, как следствие, неудобства при хранении. Здесь он приближается к жидкому кислороду. Кроме того, смесь воздуха и газообразного метана взрывоопасна, что заставляет принимать дополнительные меры безопасности при хранении.

Плюсы и минусы водородного топлива

Водородное топливо уже давно занимает ведущие позиции среди других источников энергии. Обладающий уникальными свойствами, водород по праву называют топливом ближайшего будущего. По сравнению с дизельным и бензиновым топливом, у него больший КПД, а также экологичность. Попытаемся разобраться, почему его до сих пор не используют?

Водородный коктейль

Хотя водород обладает чудесными характеристиками, его почти не применяют на автотранспорте потому, что люди привыкли использовать бензин, хотя он и дорожает с каждым днем. Также ведущие автокомпании постоянно откладывают сроки перехода на водородное топливо, мотивируя это тем, что установки для получения водорода появятся только к 2030 году. Европейские и американские аналитики могут быть правы в этих подсчетах, но есть множество доказательств экстренного перевода на водород целого автопарка, причем буквально за 10 -12 дней!

История двигателя внутреннего сгорания на водороде

Применение водорода в качестве топлива началось еще в XIX веке, когда французский изобретатель Франсуа Исаака де Риваз в 1806 году разработал самый первый в мире ДВС, потребляющий водородное топливо. Необходимую электрическую энергию он получал методом электролиза воды. Позже бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар заставил самоходный экипаж двигаться с помощью энергии водорода. Так бы водород и служил бы человечеству в качестве основного топлива, но в 1870 году в ДВС стали применять бензин, сведя на нет первые опыты с водородным топливом.

Водородное топливо в блокадном Ленинграде

О водороде вспомнили только в блокадном Ленинграде в конце 1941 года, благодаря военному технику Б. И. Шелищу, который предложил использовать отработанный водородный газ для заправки автотранспорта. От налетов вражеской авиации Ленинград защищался зенитными орудиями, а также заградительными аэростатами, наполненными водородом, чтобы помешать прицельной бомбардировке города.

Когда водородные аэростаты спускались на землю, их использовали в качестве альтернативного источника топлива. Всего лишь за неделю группа техников переоборудовала на водородное топливо 600 грузовиков ГАЗ. После войны об этом изобретении снова забыли, перейдя опять на бензин.

В 1970 годах, когда произошел энергетический кризис, люди опять оценили необходимость альтернативных источников энергии. Так, Украинским ИПМ был переоборудован весь свой автомобильный парк водородное топливо, отлично справившись с топливным кризисом. Об успешных экспериментах снова забыли после распада советского союза.

Современные автомобили на водороде находятся пока в стадии проектирования, а вернее выпускать серийно опытные модели пока не собираются из-за неразвитой инфраструктуры заправок автотранспорта водородным топливом. В промышленных масштабах получить водород электролизом воды недешево, поэтому автокомпании пока не спешат на него переходить, ожидая более дешевый и простой способ получения топлива.

Преимущества водородных ДВС

1. Главное неоспоримое преимущество автомобилей на водороде – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых выхлопов.
2. Простая конструкция.
3. Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны.
4. Бесшумность.
5. КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.

Недостатки

Имеются и недостатки у автомобилей на водородном топливе:

1. Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.
2. Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.
3. Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.
4. Несовершенство технологий хранения такого топлива.
5. Дорогие водородные элементы.
6. Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.
7. Существует опасность возгорания и взрыва при работе водорода с традиционным топливом.

Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск водородных автомобилей. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы.

Производители транспорта на водородном топливе

Мировые производители все же проводят испытание в этой сфере и даже выпускают автотранспорт на водородном топливе:

• Toyota — модель Toyota Highlander FCHV;
• Ford Motor Company проводит испытания с концептом Focus FCV;
• Honda со своей моделью Honda FCX;
• Hyundai выпускает Tucson FCEV;
• Daimler AG отвечает за модель Mercedes-Benz A-Class;
• General Motors .

Перспективы развития

Все же водород является единственной приемлемой экологической энергией с огромным будущим. От ученых зависит только разработать инфраструктуру, обнаружить способ добычи водорода, наладить порядок в инструкциях по эксплуатации топлива, и тогда навсегда уже забыть о выхлопных газах, нефтяных вышках и других проблемах бензиновой зависимости.

Водородное топливо

Водородное топливо — это топливо, где в качестве вещества, способного выделять энергию, используется водород.
Водородная энергетика стремительно развивается.
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).
В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.
Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

• в промышленности,
• в ЖКС для отопления домохозяйств.

• более чистый производственный процесс;
• нулевое загрязнение после утилизации;
• более высокая плотность энергии.

• водород — 33 кВт•ч / кг;
• аккумуляторная батарея — около 1 кВт•ч / кг);
• бензин и дизельное топливо — около 12 кВт•ч / кг.

Применение водорода кроме энергетики:

• для атомно-водородной сварки,
• в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
• химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
• в качестве ракетного топлива.

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O).

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.

Есть другие технологии:

• использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению Н₂ + 0,5 О₂= Н₂О после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт•ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт•ч электроэнергии.

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт•ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

При сжигании водорода получается чистая вода.
То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода

Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.
Она проводится при высокой температуре:

• 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

• 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

• 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

• 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
• 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

• 6.Взаимодействие кальция с водой:

• 7.Гидролиз гидридов:

• 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

• 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

• Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2 х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н_₂. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Оксиды восстанавливаются до металлов:

Геохимия водорода

Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.
Свободный водород H₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.
Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Пожароопасность и взрывоопасность

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ.
Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.
Водород пожароопасен.

RU2139918C1 — Топливо на основе водорода — Google Patents

Publication number RU2139918C1 RU2139918C1 RU97117509A RU97117509A RU2139918C1 RU 2139918 C1 RU2139918 C1 RU 2139918C1 RU 97117509 A RU97117509 A RU 97117509A RU 97117509 A RU97117509 A RU 97117509A RU 2139918 C1 RU2139918 C1 RU 2139918C1 Authority RU Russia Prior art keywords hydrogen fuel combustion inhibitor mixture Prior art date 1997-10-21 Application number RU97117509A Other languages English ( en ) Other versions RU97117509A ( ru Inventor В.В. Азатян Р.Г. Айвазян В.Г. Березкин В.И. Калачев А.Г. Мержанов Original Assignee Азатян Вилен Вагаршович Айвазян Рафик Грантович Березкин Виктор Григорьевич Калачев Владимир Иванович Мержанов Александр Григорьевич Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 1997-10-21 Filing date 1997-10-21 Publication date 1999-10-20 1997-10-21 Application filed by Азатян Вилен Вагаршович, Айвазян Рафик Грантович, Березкин Виктор Григорьевич, Калачев Владимир Иванович, Мержанов Александр Григорьевич filed Critical Азатян Вилен Вагаршович 1997-10-21 Priority to RU97117509A priority Critical patent/RU2139918C1/ru 1998-10-21 Priority to AU11814/99A priority patent/AU1181499A/en 1998-10-21 Priority to PCT/RU1998/000339 priority patent/WO1999020716A1/ru 1999-07-20 Publication of RU97117509A publication Critical patent/RU97117509A/ru 1999-10-20 Application granted granted Critical 1999-10-20 Publication of RU2139918C1 publication Critical patent/RU2139918C1/ru

Links

Images

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 

Abstract

Сущность изобретения: топливо содержит до 33 об.% моноксида углерода, 0,1-11 об.% ингибитора — по меньшей мере один углеводород из гомологических рядов алифатических, олефиновых углеводородов нормальной и изоструктуры, циклических углеводородов, в том числе ароматических, содержащих в молекуле от 1 до 8 атомов углерода, и остальное водородовоздушную смесь и моноксид углерода при содержании в водородовоздушной смеси до 75 об.% водорода. Топливо обладает широкой областью использования, высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, экологически чисто и взрывобезопасно. 2 з.п.ф-лы, 8 табл.

Description

Изобретение относится к топливной промышленности, в частности к топливу на основе водорода, которое может быть использовано в различного типа энергетических установках и двигателях, основанных на процессах горения, в том числе в двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных установках включая генераторы, а также в промышленных печах.

Водород является перспективным промышленным энергоносителем и рациональным топливом для энергетических установок, в том числе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных двигателей. Важнейшими достоинствами водородного топлива являются: его большая теплота сгорания, составляющая 143,06 МДж/кг, что более чем в 4 раза превышает теплоту сгорания условного углеводородного топлива, экологическая чистота как самого водорода, так и продукта его сгорания — воды, а также низкая вязкость водорода, облегчающая его транспортировку по трубопроводам. Водород является многотоннажным целевым и побочным продуктом в различных производствах.

Несмотря на указанные достоинства, использование водорода в качестве топлива и энергоносителя сильно ограничено следующими особенностями его воспламенения и горения, затрудняющими обращение с ним:
— очень легкая воспламеняемость, проявляющаяся в очень широких концентрационных пределах воспламенения в воздухе и малых мощностях импульса, инициирующего горение. Концентрационная область воспламенения водорода намного шире, чем у углеводородов, а поджигающие мощности намного меньше;
— высокие скорости распространения пламени, превышающие скорость пламени бензиновой горючей смеси в 7-8 раз;
— короткие периоды задержки воспламенения водородовоздушных смесей;
— легкий переход горения в режим цепно-теплового взрыва и в детонацию.

Последние три из перечисленных выше особенностей приводят к тому, что в двигателе внутреннего сгорания горючая смесь воспламеняется задолго до достижения требуемой степени сжатия, порой пламя проскакивает в приводящие патрубки или переходит в режим взрыва. Все это обусловливает нестабильность и «жесткость» работы двигателя, к ударной нагрузке, «стуку» детонационного типа. В результате двигатель быстро изнашивается, снижается его мощность. Воспламенение водородовоздушной смеси во всасывающих патрубках нарушает устойчивость работы ДВС, приводя к его остановке.

Известно топливо для энергетических установок на основе водорода, к которому добавляют бензин с целью улучшения эксплуатационных характеристик топлива (заявка Японии N 587488, C 10 L 1/12, 1983). Однако поскольку бензин это — смесь жидких углеводородов, содержащих в молекуле от 5 до 12 атомов углерода и кипящих при 30 o C и выше (иногда также со следами растворенного бутана), то использование такой добавки фактически не устраняет недостатки с точки зрения экологии. Кроме того, поскольку состав бензина фиксирован в рамках каждой марки, то влиять на режим горения возможно только путем изменения количества добавки, что сильно ограничивает возможности регулирования. Недостатком использования бензина в качестве добавки является и то, что при этом требуются сложные конструкции, обеспечивающие регулируемое парообразование бензина перед его смешением с водородом.

Наиболее близким к заявляемому является топливо на основе водорода, предложенного для ДВС, содержащее водородовоздушную смесь и 2- 27 об.% одного из простейших олефиновых углеводородов — этилена, пропилена или бутилена (патент РФ N 2028369, C 10 L 3/00, 1995).

Существенным недостатком этого топлива является ограниченная возможность варьирования его свойств, т.е. характеристик горения. Обусловлено это тем, что поскольку в качестве добавки используется лишь один из указанных выше трех углеводородов одного и того же гомологического ряда, имеющих близкие химические свойства, то варьирование характеристик горения возможно только путем изменения количества добавленного углеводорода. Это сильно сужает возможности регулирования горения. Кроме того, использование только однокомпонентного ингибитора предполагает обязательное выделение его из смесей других соединений, в том числе углеводородов. Это значительно повышает стоимость топлива. Для указанного топлива в упомянутом патенте предлагается относительно узкая область использования, а именно применение только в двигателях внутреннего сгорания.

Еще большие трудности использования водорода в качестве топлива в наземном транспорте связаны с необходимостью обеспечить транспортное средство таким количеством горючего, которое обеспечит сколько-нибудь дальний пробег. Использование жидкого водорода, требующее поддержание очень низких температур на самом транспортном средстве, сильно увеличивает его вес и габариты, повышает стоимость эксплуатации. Эти осложнения присущи также попыткам использовать интерметаллиды, способные поглощать водород при высоких давлениях и выделить его при сбрасывании давления и нагревании.

Задачей настоящего изобретения является создание топлива на основе водорода, имеющего широкую область использования, обладающего высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, экологически чистого и взрывобезопасного при получении, транспортировке, хранении, компремировании и сжижении с легко варьируемыми характеристиками воспламенения и горения.

Для обеспечения достаточно большого количества топлива на основе водорода на транспортном средстве в настоящем изобретении предлагается обходить эти трудности использованием смеси водорода с другим высокоэнергетическим горючим — оксидом углерода, причем смесь получается известной реакцией каталитического разложения метанола
CH₃OH = 2H₂+CO
в маленькой камере над двигателем. Используется то обстоятельство, что горение как водорода, так и CO в присутствии H₂, протекает по похожим между собой разветвленно-цепным механизмам при участии одних и тех же активных промежуточных частиц — атомов H, O, радикалов ОН, идентифицированных в зоне горения (Азатян В. В., Ожерельев Б.В., Акопян Л.А. Докл. АН СССР. 1961, т. 141, с. 129; B.Lewis, G. von Elbe, Combustion, Flames and Explosions in Gases. Acad. Press. N.Y.-London. 1987; Денисов Е.Т., Азатян В.В. Ингибирование цепных процессов. — М., 1997). Реакции этих частиц с ингибиторами приводят к обрыву реакционных цепей и в итоге — к предотвращению воспламенения или при соответствующем составе и количестве ингибитора — к пассивации процесса.

Другой задачей изобретения является создание топлива, позволяющего регулировать режимы горения путем варьирования не только количества ингибиторов, но также их состава при использовании топлива в энергетических установках: ДВС, газотурбинных двигателях, генераторах электростанций, промышленных печах и т.д.

Эти задачи изобретения достигаются тем, что топливо на основе водорода содержит компоненты при следующем соотношении, об.%: ингибитор 0,1 — 11, смесь водорода, оксида углерода и остальное — воздух. Содержание водорода и оксида углерода в различных смесях варьируется соответственно до 75% и 33% от всей смеси. В качестве ингибитора топливо содержит по меньшей мере один углеводород из гомологических рядов: алифатических, олефиновых углеводородов нормального и изоструктуры, циклических углеводородов, в том числе ароматических. Топливо в качестве ингибитора преимущественно содержит смесь от двух и более указанных углеводородов, выбираемых в зависимости от требуемых характеристик топлива. Водородовоздушная смесь содержит до 33 об.% монооксида углерода. Водород в качестве топлива может быть получен каталитическим разложением аммиака.

Новизна способа регулирования горения топлива на основе водорода с помощью ингибиторов прежде всего в том, что предлагается использовать ингибиторы для регулирования не только горения водорода, но другого процесса — горения смесей водорода с оксидом углерода, являющегося высококалорийным горючим.

Применительно же к горению только водородовоздушных смесей основные отличия предложенных в данной заявке ингибиторов от названных в патенте RU 2028369 состоят в следующем.

В указанном патенте сказано об использовании только одного из следующих трех ненасыщенных углеводородов (олефинов): или этилена, или пропилена, или бутилена. В данной же заявке предлагается использовать: 1. Не только индивидуальные олефины, но также их смеси, состоящие из двух, трех и большего числа компонентов в зависимости от необходимости, что существенно расширяет возможности регулирования горения. При этом в состав смесей входят не только олефины, но также углеводороды других классов — алканы (метан, этан, пропан и до октана, их изомеры), ароматические и алициклические углеводороды. Соответственно воздействие предлагаемых ингибиторов разнообразнее и возможности регулирования несравненно шире. 2. Совокупность предлагаемых одних только олефинов и даже в варианте использования не в виде их смесей несравненно шире, чем в патенте RU 2028369, поскольку здесь используются олефины, содержащие в молекуле также 4, 5, 6, 7 и 8 атомов углерода и большое число их изомеров. Преимущества не только в разнообразии, но также в значительно большей эффективности.

Испытания предложенного топлива проводились на установках двух типов, позволяющих изучать как воспламеняемость и интенсивность горения, так и распространение пламени. Воспламеняемость и интенсивность горения изучались в замкнутом объеме в цилиндрическом реакторе, изготовленном из нержавеющей стали и способном выдерживать давление до 100 атм. Внутренний диаметр реактора 9,0 см и высота 30,0 см. Реактор снабжен специальным окошечком для регистрации воспламенения по свечению пламени (хемилюминесценции) и датчиком давления для регистрации изменения давления газовой смеси, происходящего в результате реакции. Воспламенение регистрировали по свечению визуально и с использованием фотоэлектронного умножителя ФЭУ -39, а в ряде случаев также с помощью фотодиода. Показателем воспламенения и интенсивности горения служил также скачок давления, происходящий в результате саморазогрева реакционной смеси.

Анализ газов до и после воспламенения проводили с использованием хроматографа.

Рабочие газовые смеси составляли непосредственно в реакторе. Перед напуском газов реактор вакуумировали до 0,4 Па. Затем в реактор последовательно напускали ингибитор, водород и воздух, контролируя их количества по величинам парциального давления, которое измеряли с помощью манометра, вакуумметра или механотрона.

Поджиг газа проводили с помощью нихромовой проволоки, помещенной у нижнего торца реактора. Нагрев проволоки проводили подачей на нее импульса электрического тока при максимальном времени разогрева не более 0,2 с.

Приведенные в табл. 1 данные показывают, что основные характеристики воспламенения и горения H₂ и смеси H₂ с CO практически одинаковы. Теплотворность же CO даже на 16% больше, как это показывают справочные данные. Хроматографическим анализом продуктов горения показано, что при содержаниях 2H₂ + CO меньше 35% догорание CO практически полное (больше 99,5%).

Данные, представленные в табл. 2 и 3, показывают, что предложенные ингибиторы эффективно подавляют горение смеси 2H₂ + CO: сужают концентрационную область воспламенения, снижают интенсивность горения.

В табл. 4 — 7 представлены экспериментальные данные в качестве примеров с указанием состава топлива без CO, количественного и качественного составов ингибиторов, результаты изучения воспламеняемости и интенсивности горения при различных составах газовых смесей. В примерах, представленных в этих таблицах в качестве ингибиторов использованы следующие углеводороды:
Состав I: 50% C₃H₈ (пропан) + 50% C₃H₆ (пропен).

Состав II: 11% C₃H₆ + 89% C₄H₁₀ (бутан).
Состав III: 20% C₃H₈ + 37% C₄H₁₀ + 19% C₃H₆ + 20% C₄H₈ + 4% C₆H₅CH₃ (толуол).
Состав IV: 50% C₈H₁₈ (октаны) + 50% C₃H₆.
Состав V: 32% CH₄ + 8% C₃H₆ + 60% C₄ H₁₀.
Использовались также индивидуальные углеводороды, такие как метан, пропан, октан, бензол, олефины.

В табл. 4 иллюстрируется различное действие индивидуальных углеводородов на горение водородовоздушных смесей и в том числе преимущества с точки зрения большей эффективности гексена и октена по сравнению с пропеном, фигурирующим в патенте RU 2028369.

В примерах 9-15 табл.5 в качестве водородовоздушной смеси использовалась смесь водорода и азота, получающаяся разложением аммиака над железным катализатором (промотированным).

(О методике получения см. справочник «Водород, свойства, получение, хранение, транспортировка, применение,» М.: Химия, 1989, 334 с.).

В таблицах в качестве показателя интенсивности горения (окисления) топлива в замкнутом объеме на описанной выше установке представлены величины скачка давления газовой смеси, обусловленного саморазогревом, сопровождающим горение.

Испытания показали, что в зависимости от исходных концентраций компонентов горение топлива может протекать в двух различных режимах: горения, не переходящего в тепловой взрыв, и горения в режиме теплового взрыва, характеризующегося намного большими разогревами и скоростями процесса, причем в обоих режимах процесс протекает по разветвленно-цепному механизму. С использованием доминирующей роли цепного механизма путем целенаправленного варьирования состава и количества ингибитора удается не только управлять воспламеняемостью топлива, но также регулировать интенсивность его горения в режиме, не переходящего во взрыв, в режиме взрыва, а также предотвратить переход горения во взрыв. Так, ингибитор состава III (табл. 5) при его содержании в топливе 9% и более предотвращает переход горения во взрыв при любых соотношениях водорода и воздуха, в то время как в отсутствие ингибитора воспламенение смесей, содержащих от 12 до 50% водорода, переходит в режим взрыва. Взятый в еще меньшем количестве ингибитор уменьшает интенсивность взрыва, как это видно, например, из табл. 6, наличие всего 0,1% ингибитора снижает интенсивность взрыва смеси 42% водорода в воздухе на 10%.

Из представленных данных видно, что использование ингибиторов позволяет сильно снизить воспламеняемость топлива, и тем самым безопасно получать его, транспортировать, хранить и использовать в энергетических установках. Для безопасной транспортировки, компремирования, хранения используется такое количество выбранного ингибитора, чтобы в объеме, содержащем горючее, в том числе в трубопроводе, смесь находилась вне области воспламенения при случайных образованиях водородовоздушных смесей.

В зависимости от целей и требований к свойствам топлива эффективными являются как смеси ингибиторов, так и индивидуальные компоненты, такие как метан, пропан, гексен, ароматические углеводороды. Использование названных ингибиторов в виде их смесей в составе топлива позволяет без снижения его технических эксплуатационных характеристик существенно снизить стоимость. В этом отношении особенно рационально использование газовых непредельных соединений — продуктов нефтепереработки, получаемых в промышленности при каталитическом и термическом крекинге нефтепродуктов, коксовании и представляющих собой смесь олефиновых и алифатических углеводородов. Продукты перегонки угля содержат также ароматические углеводороды.

Для испытания влияния ингибиторов на скорость распространения пламени горение проводили в горизонтальной трубе из нержавеющей стали диаметром 5,0 см и длиной 190 см. Зажигание проводили с одного конца трубы с помощью нихромовой проволоки, через которую пропускали импульс электрического тока путем разряда аккумуляторной батареи. Вдоль трубы в трех местах расположены кварцевые окна для регистрации пробегающего пламени по его свечению. Последнее через многожильный световод поступает в фотоумножитель, сигнал от которого входит в двухлучевой запоминающий осциллограф С 9-16.

Проведенные испытания показывают, что предлагаемые ингибиторы эффективно уменьшают скорость пламени. Например, 1 об.% ингибитора, состоящего из равных количеств пропана, пропилена и бутана, снижает скорость пламени смеси 25% водорода с воздухом в два раза, а в смеси 37% водорода с воздухом — около 5 раз. В смесях, содержащих более 50% водорода, такая добавка вовсе предотвращает распространение пламени.

В табл. 8 представлены результаты влияния различных количеств ингибитора в водородовоздушной смеси, содержащей 40% водорода. Эти данные показывают, что в зависимости от содержания ингибитора горение может протекать в двух режимах, различающихся интенсивностью процесса, в том числе величиной скачка давления газа (ΔP_m), и значит, его температуры. При содержаниях ингибитора 1% и меньше горение сопровождается характерным для взрыва звуком и большим скачком давления и, значит, температуры. Из таблицы видно, что изменение количества ингибитора на 0,2% при переходе от 1,0% к 1,2% различие в величинах ΔP_m в несколько раз больше, чем при таком же или даже большем изменении его количества при переходе от 0,8% к 1,0% или от 1,2% к 1,5%. Таким образом, в области 1,1% ингибитора происходит резкий переход от режима горения со взрывом в режим горения без взрыва. Причем изменение количества ингибитора позволяет регулировать не только переход горения от одного режима в другой, но также интенсивность процесса в каждом из этих режимов.

Полученные данные позволяют использовать предлагаемое топливо в регулируемом режиме в различных устройствах, в том числе двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и промышленных печах.

Claims ( 3 )

1. Топливо на основе водорода, содержащее водородовоздушную смесь и ингибитор, отличающееся тем, что дополнительно содержит до 33 об.% моноксида углерода и в качестве ингибитора по меньшей мере один углеводород из гомологических рядов: алифатических, олефиновых углеводородов нормальной и изоструктуры, циклических углеводородов, в том числе ароматических, содержащих в молекуле от 1 до 8 атомов углерода, при следующем соотношении компонентов, об.%:
Ингибитор — 0,1 — 11
Водородовоздушная смесь и монооксид углерода — Остальное
при этом топливно-воздушная смесь содержит до 75 об.% водорода.

2. Топливо по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ингибиторов оно содержит преимущественно смесь из двух и более указанных углеводородов.

3. Топливо по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве водородовоздушной смеси оно содержит продукт синтеза водорода из аммиака.

RU97117509A 1996-07-17 1997-10-21 Топливо на основе водорода RU2139918C1 ( ru )

Priority Applications (3)

Application Number	Priority Date	Filing Date	Title
RU97117509A RU2139918C1 ( ru )	1997-10-21	1997-10-21	Топливо на основе водорода
AU11814/99A AU1181499A ( en )	1997-10-21	1998-10-21	Hydrogen-containing fuel
PCT/RU1998/000339 WO1999020716A1 ( fr )	1996-07-17	1998-10-21	Carburant a base d’hydrogene

Applications Claiming Priority (1)

Application Number	Priority Date	Filing Date	Title
RU97117509A RU2139918C1 ( ru )	1997-10-21	1997-10-21	Топливо на основе водорода

Publications (2)

Publication Number	Publication Date
RU97117509A RU97117509A ( ru )	1999-07-20
RU2139918C1 true RU2139918C1 ( ru )	1999-10-20

Family

ID=20198297

Family Applications (1)

Application Number	Title	Priority Date	Filing Date
RU97117509A RU2139918C1 ( ru )	1996-07-17	1997-10-21	Топливо на основе водорода

Country Status (2)

Country	Link
AU ( 1 )	AU1181499A ( ru )
RU ( 1 )	RU2139918C1 ( ru )

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party

Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
WO2018080343A3 ( ru ) *	2016-10-24	2018-07-05	Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»	Присадка к топливу

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party

Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
RU2452764C1 ( ru ) *	2010-12-27	2012-06-10	Николай Евгеньевич Староверов	Горючее (варианты)

• 1997
  • 1997-10-21 RU RU97117509A patent/RU2139918C1/ru not_active IP Right Cessation
  • 1998-10-21 AU AU11814/99A patent/AU1181499A/en not_active Abandoned

  Non-Patent Citations (1)

  * Cited by examiner, † Cited by third party

  Title
  Нэш А., Хоуэс Д. Принципы производства и применения моторных топлив, ОНТИ, 1936, т.1, с.510, 511. *

  Cited By (1)

  * Cited by examiner, † Cited by third party

  Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
  WO2018080343A3 ( ru ) *	2016-10-24	2018-07-05	Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»	Присадка к топливу

  Also Published As

  Publication number	Publication date
  AU1181499A ( en )	1999-05-10

  Similar Documents

  Publication	Publication Date	Title
  Tanaka et al.	2003	Two-stage ignition in HCCI combustion and HCCI control by fuels and additives
  Calcote et al.	1983	Effect of molecular structure on incipient soot formation
  Zabetakis et al.	1954	Minimum spontaneous ignition temperatures of combustibles in air
  Sarıkoç	2020	Fuels of the diesel-gasoline engines and their properties
  Jiang et al.	2017	Shock tube measurement and simulation of DME/n-butane/air mixtures: Effect of blending in the NTC region
  Piehl et al.	2018	Review of oxidation of gasoline surrogates and its components
  Sharma et al.	2012	Use of acetylene as an alternative fuel in IC engine
  Ciajolo et al.	1993	Slow-combustion of n-heptane, iso-octane and a toluene/n-heptane mixture
  Li et al.	2015	Comparative study on the explosion characteristics of pentanol isomer–air mixtures
  Litzinger	1990	A review of experimental studies of knock chemistry in engines
  AU2011271224B2 ( en )	2014-07-03	Fuel composition and its use
  RU2139918C1 ( ru )	1999-10-20	Топливо на основе водорода
  Vlaskin et al.	2021	Decomposition of acetylene into hydrogen and carbon: Experiments with internal combustion engines and experiments with a flow reactor
  Richter et al.	2019	An investigation of combustion properties of a gasoline primary reference fuel surrogate blended with butanol
  Wilk et al.	2010	Ozone effects on the emissions of pollutants coming from natural gas combustion
  Mahoney et al.	1980	The Effects of Fuel Combustion Products on Antioxidant Consumption in a Synthetic Engine Oil
  Cathonnet	2003	Advances and challenges in the chemical kinetics of combustion
  Frolov et al.	2013	Autoignition and combustion of hydrocarbon-hydrogen-air homogeneous and heterogeneous ternary mixtures
  Ichikawa et al.	2016	Effects of gas composition on combustion, emission and knocking characteristics of marine lean burn gas engine
  Soloiu et al.	2023	Investigations into the Apparent Heat Release Rate of Neat Aerospace Fuels F-24, Iso-Paraffinic Kerosene (IPK) and Fischer-Tropsch Synthetic Kerosene (S8)
  Kolbanovskii et al.	2011	Single-stage conversion of associated petroleum gas and natural gas to syngas in combustion and auto-ignition processes
  RU2495696C1 ( ru )	2013-10-20	Способ управления детонацией смесей оксида углерода и водорода с воздухом
  Gibbons et al.	1954	Effect of Molecular Structure on Combustion Behavior
  Kane	1939	The influence of nitrogen peroxide on the two-stage ignition of hydrocarbons
  Biessikirski et al.	2013	Biega nska

  Legal Events

  Effective date: 20091022

  Похожие публикации:

  1. Как правильно пользоваться сцеплением на механике во время движения
  2. Как разобрать передний кардан уаз патриот
  3. Какие запчасти лучше покупать
  4. Чем можно заменить моторное масло