Содержание

Определение

Источники

Получение

Физические свойства

Химические свойства

Соединения включения

Применение

Метан и экология

 Определение

Мета́н — это простейший углеводород, бесцветный газ без запаха, химическая формула — CH4.

Малорастворим в воде, легче воздуха.

При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа».

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 5 % до 15 %. Самая взрывоопасная концентрация 9,5 %.

Метан – наиболее важный представитель органичес­ких веществ в атмосфере. Его концентрация су­щественно превышает концентрацию остальных орга­нических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью чело­вечества.

Часто этот взрывоопасный газ называют «болотным». Всем известен его специфический запах, но на самом деле это — специальные добавки «с запахом газа», которые добавляются для того, чтобы его распознать. При сгорании он практически не оставляет вредных продуктов. Помимо всего прочего, этот газ довольно активно участвует в образовании всем известного парникового эффекта.

Источники

Основной компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ).

В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно.

Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению:

- абиогенный - образован как результат химических реакций неорганических соединений;

- биогенный - образован как результат химической трансформации органического вещества;

- бактериальный (микробный) - образован в результате жизнедеятельности бактерий;

- термогенный - образован в ходе термохимических процессов.

Метан - основной компонент природного и рудничного газов (до 98%), образуется также в результате анаэробного (метанового) брожения целлюлозы (болотный газ, биогаз). Метан составляет основу атмосферы ряда планет - Сатурна, Юпитера и его спутника Титана.

Метан — газ, обычно связанный с живыми организмами. Когда в атмосферах Марса и Титана обнаружился метан, у ученых появилась надежда на то, что на этих планетах существует жизнь. На Красной планете метана немного, а вот Титан буквально «залит» им. И уж если не для Титана, то для Марса биологические источники метана столь же вероятны, как и геологические. Метана много на планетах-гигантах — Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне, где он возник как товар химической переработки вещества протосолнечной туманности. На Земле он редок: его содержание в атмосфере нашей планеты — всего 1750 частей на миллиард по объему.

На 90–95% метан имеет биологическое происхождение. Травоядные копытные животные, такие как коровы и козы, испускают пятую часть годового выброса метана: его вырабатывают бактерии в их желудках. Другими важными источниками служат термиты, рис-сырец, болота, фильтрация естественного газа (это товар прошлой жизни) и фотосинтез растений. Вулканы вносят в общий баланс метана на Земле менее 0,2%, но источником и этого газа могут быть организмы прошлых эпох. Промышленные выбросы метана незначительны. Таким образом, обнаружение метана на планете типа Земли указывает на наличие там жизни.

Бак­териальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пище­варения в желудках насекомых и животных (преимуще­ственно жвачных). Термогенный метан возникает в оса­дочных породах при их погружении на глубины 3–10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и дав­лений. Абиогенный метан образуется обычно на больших глубинах в мантии Земли.

В настоящее время общее количество метана в атмо­сфере оценивают в пределах 4600–5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а оке­аны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8–12 лет.

Метан находится в атмосфере в основном в призем­ном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11–15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой ско­ростью перемешивания по высоте в пределах 0–12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в ат­мосфере.

Метан СН4 - называется также болотным газом, так как он составляет главную часть горючих газов, пузырьками поднимающихся из болотной тины, где метан образуется при гниении растительных остатков (целлюлозы) без доступа воздуха. Кроме того, его называют рудничным газом, так как он образуется при медленном разложении каменного угля под землей и иногда выделяется в большом количестве в рудниках; образование смесей метана с воздухом может служить причиной опасных взрывов. Большие количества метана содержатся в растворенном состоянии в черного золота; в нефтеносных местностях он иногда выделяется из земли. Метан входит также в состав светильного газа; обычно очищенный светильный газ, получаемый пиролизом угля или черного золота, содержит около 50% водорода, 34% метана, 8% окиси углерода, 4% непредельных углеводородов, 4% азота и 1% двуокиси углерода.

Громадные количества метана содержатся в некоторых месторождениях природных газов. В настоящее время успешно эксплуатируются такие месторождения близ Саратова, Ставрополя, Дашавы и др.; они снабжают газом, состоящим из почти чистого метана, Москву, Киев и другие большие города и промышленные центры, За последние годы на территории СССР открыт ряд новых месторождений природного метана.

Самые крупные источники выбросов метана находятся в глобальном масштабе это такие страны, как Китай, Россия, Украина, Казахстан, Индия, Соединенные штаты Америки и Бразилия. Согласно подсчетам, в этих странах происходит почти половина всех выбросов метана антропогенного происхождения. Основные источники выбросов метана в этих странах могут сильно отличаться. Например, в Китайской Народной Республике (КНР) источниками выбросов метана являются в основном угольные шахты, тогда как в Российской Федерации утечки метана происходят в основном из систем природного газа и черного золота. В США основным источником выбросов метана являются мусорные свалки с применением захоронения отходов.

Сокращение выбросов метана несет целый ряд важных положительных моментов в энергетическом, экономическом, экологическом плане и в плане безопасности. Во-первых, метан является газом, вызывающим сильный парниковый эффект; его нахождение в атмосфере носит кратковременный характер, и сокращение объемов метана может привести к значительным результатам в самое ближайшее время. Кроме того, метан является основным компонентом природного газа. Поэтому сбор и утилизация метана дает еще один ценный, чистый (в процессе сгорания) энергоноситель, способствующий повышению качества жизни в районах проживания. Применение метана является доходным и способствует повышению уровня жизни. Производство энергии из регенерированного метана может также помочь заменить энергоносители с высокой степенью выбросов продуктов сгорания, таких как дерево, каменный уголь или нефть. Это позволит сократить выбросы двуокиси углерода, создаваемые конечными потребителями и электростанциями, а также выбросы таких веществ, как двуокись серы (основное вещество в составе кислотных дождей), различных частиц (вызывающих заболевания органов дыхания), а также осуществить мониторинг других загрязняющих воздух веществ.

Хотя в деле регенерации метана существует множество положительных моментов, эти проекты не так широко распространены, и это объясняется несколькими причинами.

Во-первых, метан является второстепенной проблемой в производственных процессах, при которых происходят его выбросы. К примеру, операторы угольных шахт обычно удаляют метан из шахтных выработок, поскольку он является взрывоопасным веществом. Исторически сложилось так, что горнодобывающие предприятия не рассматривают метан в качестве источника энергии.

Во-вторых, те, кто, несет ответственность за выбросы метана, могут не иметь представления об имеющихся специальных технологиях его регенерации или других потенциально прибыльных проектах. Улучшение обмена информацией и техническое обучение часто помогает заручиться поддержкой для проектов по извлечению метана. И, наконец, во многих странах неадекватно функционирующие энергетические рынки и неплатежеспособные коммунальные организации, а также муниципальные органы не в состоянии создать такой деловой климат для частного сектора, который поощрял бы инвестиции в проекты по сбору и применению метана.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропоген­ных источников в настоящее время существенно пре­вышает мощность естественных. К естественным ис­точникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным – рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и неф­ти, горение биомассы, свалки. Относительное распределе­ние источников по их мощности дано на рисунке.

Из данных рисунка видно, что болота, рисовые поля и животные вносят доминирующий вклад в образование общего потока в атмосферу. Природа образования мета­на в таких источниках, как болота, озера, рисовые поля, жвачные животные, насекомые, свалки, примерно оди­накова – ферментативная переработка клетчатки.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Дополнительный выпуск метана от западносибирских болот, которые являются доста­совершенно точно типичным представителем северных болот, оп­ределенная с применением методов газовой хромато­графии, составляет примерно 9 мг метана в ч/м2. В среднем дополнительный выпуск метана из сибирских болот может до­стигать 20 Тг/год, что довольно много в сопоставлении с общим потоком метана от болот (50–70 Тг). Нужно сказать, что точность определения дополнительного выпуска метана от болот затруднена большим разбросом величин дополнительного выпуска при измерении даже на близко расположенных участ­ках. Например, величина дополнительного выпуска метана в западно­сибирских болотах колебалась в интервале от 0,1 до 40 мг/(м2⋅ч). Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана вну­три полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток мета­на с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/(м2⋅ч).

Количество крупного рогатого скота в мире – около 1,5 млрд голов. Одна корова производит в сутки около 250 л чистого метана. Этого количества метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды. В развитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кг мусора в день в рас­чете на одного человека, в Российской Федерации 0,6 кг соответствен­но. Примерно 10% этой массы может конвертировать­ся в метан. Следовательно, в Российской Федерации производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.

Шахтный метан возникает в процессе трансформа­ции органических остатков в уголь под влиянием высо­ких давлений и температур. Можно считать, что в глу­бинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое ко­личество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, кото­рые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан. Добыча 1 т угля со­провождается выделением 13 M3 чистого метана.

Аналогичный механизм образования метана на­блюдается и при горении биомассы. Основной источ­ник метана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широко практикуется сжига­ние соломы при подготовке почвы для нового урожая. Использование дерева для приготовления пищи и отопления дает незначительный вклад. Страны бывшего СССР производят около 5–15% от общего по­тока метана в атмосферу.

Таким образом, роль метана в экологических процессах исключитель­но велика. В настоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для Рос­сии, являются инвентаризация существующих источ­ников метана, выявление и прогнозирование появле­ния новых источников.

В Российской Федерации более детальному исследованию следует подвергнуть те источники метана, мощность которых определена с недостаточной точностью. Прежде всего это болота, и особенно болота Западной Сибири. Важ­ной является проблема образования и транспорта ме­тана в болотах внутри водной фазы. Залежи метангидратов интересны не только с точки зрения воз­действия на климат планеты при их дестабилизации, но и с целью промышленного использования. Рацио­нальное использование отходов, например для получе­ния тепловой энергии, может решить проблему свалоч­ного газа. Еще одна проблема носит экологический характер. В настоящее время трудно сомневаться в том, что происходит постепенное потепление климата, хотя и гораздо меньшими темпами, чем предполагалось ра­нее. Повышение температуры планеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение темпе­ратуры на один градус меняет интенсивность выделе­ния метана в микробиологических процессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%. Потенциаль­но опасный источник метана, который может вклю­читься при повышении температуры, – это гидраты метана. Запасы метангидратов огромны. Повышение температуры вызовет дестабилизацию метангидратов и начнется их распад, что иногда наблюдается и сейчас. В настоящее время оценка мощности потока метана от метангидратов невелика и составляет около 1% от об­щего потока. Увеличение поступления потока метана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повыше­нии температуры атмосферы, что будет иметь огром­ные негативные последствия.

Получение

Ввиду большой важности метана как вещества, лежащего в основе важнейшего ряда органических соединений, химики приложили много стараний, чтобы синтезировать метан из элементов. Впервые метан был получен из сероуглерода (легко получаемого синтетически из элементов) при пропускании его вместе с сероводородом через трубки с накаленной купрумом (Бертело, 1856):

Лишь значительно позже (1897) было найдено, что метан может быть получен в качестве единственного товара реакции непосредственным соединением углерода с водородом при 1200° С; в присутствии никеля эта реакция идет с хорошим выходом при более низкой температуре (475 °С).

Метан можно получить действием воды на карбид алюминия:

Это один из наиболее удобных способов получения метана в лаборатории. Он получается также восстановлением водородом окиси углерода или углекислого газа в присутствии металлического никеля при 250—400 °С. Кроме того, метан можно получить по любому из общих способов получения углеводородов, и в лабораториях его часто получают сплавлением уксуснокислого натрия с едким натром.

Метан образуется при термической нефтепереработке и нефтепродуктов (10—57% по объёму), коксовании и гидрировании каменного угля (24—34%). Лабораторные способы получения: сплавление ацетата натрия со щелочью, действие воды на метилмагнийиодид или на карбид алюминия.

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с уксусной кислотой.

NaOH+CH3COOH→(t)2Na2CO3+CH4↑

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

В промышленности метан выделяют из природного или крекинг-газа низкотемпературной дистилляцией или адсорбцией на цеолитах. Может быть получен также гидрированием СО и СО2 на Катализаторе при 200-300 °С. В лабораторных условиях получают сплавлением ацетата Na с NaOH, гидролизом карбида Аl или разложением метилмагнийгалогенидов.

Физические свойства

Метан (рудничный, болотный газ) СН4,

Молекулярная масса 16,04;

Бесцветный газ без запаха;

Температура плавления -182,48 °С,

Температура кипения -161,49 °С: d4-164 0,415;

tкрит -82,4°С,

pкрит 4,6 МПа,

dкрит 160,4 кг/M3;

С0p 2,22кДж/(кг.К);

DH0исп 8,22 кДж/моль,

DH0обр -84,9 кДж/моль,

DH0сгор -882 кДж/моль;

S0298 186,2 Дж/(моль.К);

DG0обр - 50,6 кДж/моль.

Растворимость в воде (г в 100 мл): 0,005563, 0,003308 и 0,00170 соответственно при 0,20 и 100 °С; растворимость в этаноле, эфире, ССl4, в углеводородах. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение (sp -гибридизация углеродного атома).

Метан горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м3. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Так, при содержании в воздухе до 5–6% метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650—750 °С), от 5–6% до 14–16% взрывается, свыше 16% может гореть при притоке кислорода извне. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Кроме того, значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43% соответствует 12% O2).

Взрывное горение распространяется со скоростью 500—700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме равно 1 Мн/м2. После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования. На объектах, опасных из-за присутствия метана (главным образом, угольные шахты), вводится т.н. газовый режим.

Давление паров (в мм.рт.ст.): 1 (-206°C)

10 (-195,4°C)

40 (-187,7°C)

100 (-181,5°C)

400 (-168,8°C)

Показатель диссоциации: pKa (1) = 40 (20 C, вода)

Диэлектрическая проницаемость: 1,7 (-173°C)

Дипольный момент молекулы (в дебаях): 0 (20°C)

Удельная теплоемкость при постоянном давлении (в Дж/г·K): 2,22 (°C)

Стандартная энтальпия образования ΔH (298 К, кДж/моль): -74,85 (г)

Стандартная энергия Гиббса образования ΔG (298 К, кДж/моль): -50,79 (г)

Стандартная энтропия образования S (298 К, Дж/моль·K): 186,19 (г)

Стандартная мольная теплоемкость Cp (298 К, Дж/моль·K): 35,71 (г)

Энтальпия плавления ΔHпл (кДж/моль): 0,94

Энтальпия кипения ΔHкип (кДж/моль): 8,178

Температура самовоспламенения на воздухе (°C): 537

Теплота сгорания Qp (кДж/моль): 882

Критическая температура (в °C): -82,3

Критическое давление (в МПа): 4,71

Критическая плотность (в г/см3): 0,162

Химические свойства

Метан - первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов, наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью.

Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al2O3 при 800-900 °С или без Катализатора при 1400-1600 °С; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и др. продуктов. Некоторые характерные для метана реакции приведены на схеме:

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объемных концентрациях от 5 до 15 процентов.

Хлор и бром на рассеянном свету замещают атомы водорода в метане, образуя, например, соединения СН3Сl, СН2Сl2, СНCl3 и СCl4. Под действием прямых солнечных лучей, а также при зажигании смеси метана с хлором происходит выделение углерода и образование хлористого водорода по уравнению

Вступает с галогенами в реакции замещения (например,

CH4 + 3Cl2= CHCl3+ 3HCl),

которые проходят по свободно радикальному механизму:

CH4 + ½Cl2 = CH3Cl (хлорметан)

CH3Cl + ½Cl2 = CH2Cl2 (дихлорметан)

CH2Cl2 + ½Cl2 = CHCl3 (трихлорметан)

CHCl3 + ½Cl2 = CCl4 (тетрахлорметан)

Выше 1400° С разлагается по реакции:

2CH4 = C2H2 + 3H2

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °С и давлении 30-90 атм. по цепному радикальному механизму:

CH4 + 3[O] = HCOOH + H2O

Разрабатываются реакции окислительной дегидроизомеризации метана в этен и др. углеводороды, а также прямого окисления метана в метанол и формальдегид на оксидных Катализаторах.

При прохождении через раскаленные трубки, а также под действием искрового электрического разряда метан разлагается на водород и углерод, образуя, однако, при этом и некоторое количество более сложных углеводородов (этан, этен, ацетилен, бензол, нафталин).

Соединения включения

Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение

1. Топливо

В составе природного коксового и биогазов метан используют в качестве топлива. В промышленности его применяют для получения синтез-газа, водорода, ацетилена, технического углерода, HCN, метил- и метиленхлоридов, СНСl3, ССl4, CH3NO2, фреонов.

Метан широко используется в качестве моторного топлива для автомобилей. Однако плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20–25 МПа (200–250 атмосфер). Для хранения газа в таком состоянии используются специальные баллоны, которые устанавливаются на автомобилях.

2. Продукты хлорирования используются в огнетушителях, как снотворное, или растворитель.

3. Производство товара дегидрирования-ацетилена.

4. Товар конверсии - синтез-газ. Используется для производства метанола и формальдегида, а следовательно и полимеров, медикаментов и денатурирующих и дезинфецирующих материалов.

Также из синтез-газа изготавливаются аммиак и удобрения.

Метан — наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.

При неполном сгорании метана получают сажу, при каталитическом окислении — формальдегид, при взаимодействии с серой — сероуглерод.

Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана— важные промышленные методы получения ацетилена.

Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе индекса пром производства синильной кислоты.

Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т. н. синтез-газа):

CH4 + H2O → CO + 3H2,

применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др. Важное производное метана — нитрометан.

Природный газ в настоящее время рассматривается как одно из наиболее перспективных моторных топлив. Его преимущества по сравнению с топливами нефтяного происхождения хорошо известны:

- высокое октановое число (120);

- более высокое по сравнению с бензином и дизтопливом соотношение водород-углерод (4/1). Поэтому при сгорании метана образуется примерно на 10 % меньше диоксида углерода (СО2), чем при сжигании эквивалентного количества бензина и дизтоплива. Сам метан, однако, рассматривается как «парниковый» газ;

- при сгорании метана практически не выделяются углеводороды, участвующие в реакциях образования озона в атмосфере;

- способность обеспечивать устойчивое сгорание на более «бедных» топливовоздушных смесях, чем на бензине.

Принимая во внимание, что Россия обладает огромными природными запасами метана – примерно 1/3 мировых запасов, освоение метана в качестве моторного топлива для автотранспортных средств имеет для нашей страны стратегическое значение.

Метан обладает очень высокой температурой самовоспламенения (550oС), поэтому использовать его в чистом виде в дизельном процессе не представляется возможным. В дизелях его применяют совместно с дизтопливом (газодизельный процесс). Однако достичь в этом случае приемлемых экологических характеристик, как минимум евро-2, до настоящего времени не удавалось. Поэтому метан используют как моторное топливо в основном для искровых двигателей.

Рассматривая метан как перспективное экологически чистое топливо, нужно ясно представлять и сопоставлять его достоинства и недостатки в качестве моторного топлива.

Нередко можно услышать утверждения, что при использовании метана уже сегодня можно легко и более дешевыми средствами достичь низких выбросов вредных веществ и обеспечить жесткие международные требования по экологии, недостижимые для двигателей, работающих на нефтяных топливах.

Использование метана для легковых и грузовых автомобилей имеет в каждом случае свои специфические особенности.

При применении метана на легковых автомобилях чаще всего сохраняют и бензиновую систему питания. Установка газовой системы питания существенно утяжеляет автомобиль и усложняет его конструкцию. Для установки газовых баллонов требуется значительное пространство. При установке газобаллонного оборудования (ГБО) на стандартную бензиновую модификацию автотранспортного средства (АТС) баллоны, как правило, размещают в багажном отсеке, занимая при этом значительную его часть. При работе на газе существенно снижаются мощностные показатели двигателя – на 15-20 % по сравнению с бензиновым вариантом, поэтому эта категория автомобилей (легковых двухтопливных) не нашла широкого распространения. Наиболее целесообразным, на наш взгляд, является создание одно-топливных легковых автомобилей, работающих на метане. При изготовлении автомобиля, изначально предназначенного для работы на газе, производители разрабатывают специальную конструкцию кузова с размещением газовых баллонов без ущерба багажному отсеку. В двигателе однотопливного автомобиля увеличивают, как правило, степень сжатия, используя высокие антидетонационные свойства метана. Таким образом, удается повысить мощность двигателя и компенсировать потери мощности, связанные с ухудшением наполнения. Такие автомобили могли бы найти широкое применение, например, в качестве городских такси и внести существенный вклад в улучшение экологической обстановки в городе. Грузовые автомобили и автобусы адаптируют для работы на метане в основном путем конвертации соответствующих дизельных двигателей в искровые газовые однотопливные двигатели.

Главным и безусловным преимуществом перехода от дизельного двигателя на газовый искровой является практически полное решение проблемы выброса частиц и дымности отработавших газов. Наряду со снижением выбросов оксидов азота эта проблема является наиболее важной и критичной с точки зрения достижения современных экологических требований, установленных для автомобилей. Однако говорить о том, что на газовых искровых двигателях можно без особых усилий обеспечить приемлемый на сегодняшний день уровень экологичности (как минимум, евро-2) было бы явным преувеличением.

Весьма логичным выглядит создание искрового газового двигателя, работающего на "бедных" топливо-воздушных смесях. Это в какой-то мере компенсировало бы ухудшение энергетической эффективности двигателя, связанное с понижением степени сжатия при переходе на искровой вариант. Используя такую концепцию, пока не удалось обеспечить даже уровень евро-2, не говоря уже о более жестких требованиях.

На сегодняшний день наиболее распространенным способом достижения современных требований по экологии при применении метана является система распределенного фазированного впрыска метана в сочетании с трехкомпонентной системой нейтрализации. Современные трехкомпонентные системы нейтрализации в подавляющем большинстве работают на стехиометрических составах смеси (коэффициент избытка воздуха равен 1) аналогично системам, применяемым на бензиновых двигателях. С точки зрения топливной экономичности это, конечно, далеко не лучшее решение, для газовых автомобилей особенно. Поэтому создание газовых двигателей, работающих на "бедных " смесях, и при этом обеспечивающих соответствие современным требованиям по экологии, является чрезвычайно важной задачей.

Практически все современные дизели являются наддувными. При конвертации наддувного дизеля в искровой газовый атмосферный двигатель неизбежны существенные потери мощности, что, как правило, совершенно неприемлемо для приобретателя. Применение же наддува на искровом двигателе, работающем к тому же на стехиометрической смеси, значительно более сложная задача, чем наддув на дизеле. Температура отработавших газов в искровом двигателе в среднем на 200-250 °С выше, чем на дизеле. Проблемы тепловой на пряженности и надежности двигателя в этом случае должны быть решены конструктивно и подтверждены ресурсными испытаниями.

Отдельно следует остановиться на проблеме выброса углеводородов. На искровом метановом двигателе большая часть углеводородов состоит из несгоревшего метана. Как было указано выше, температура самовоспламенения метана (550оС) гораздо выше, чем большинства углеводородов, содержащихся в отработавших газах бензиновых двигателей. Поэтому серийно производимые каталитические нейтрализаторы, рассчитанные для применения на бензиновых АТС, не обеспечивают эффективного дожигания метана. Накопленный опыт показывает что для метановых искровых двигателей необходим специальный нейтрализатор с иным составом каталитических элементов, обеспечивающих дожигание метана в диапазоне рабочих температур нейтрализатора.

По имеющейся на сегодняшний день статистике искровой газовый двигатель не дешевле дизельного двигателя, имеющего аналогичные мощностные и экологические показатели. Грузовые автомобили и автобусы, работающие на газе, на 10-15% дороже аналогичных автомобилей с дизелями. Основной вклад в увеличение стоимости газового автомобиля вносят издержки на газовые баллоны.

Следует признать, что в нашей стране, по крайней мере в настоящее время, отнюдь не экологическая привлекательность газа как моторного топлива является стимулом для его применения на автотранспорте, а скорее его стоимость по сравнению со стремительно дорожающими нефтяными топливами. Так, требования евро-2 для серийно выпускаемых АТС и двигателей вводятся в Российской Федерации с 01.01.2005 года. Практически все производители как АТС с бензиновыми двигателями, так и с дизельными, уже сертифицировали свою продукцию на соответствие требованиям евро-2 и готовы выпускать ее в массовом порядке.

С другой стороны, очень немногие производители газовых АТС и ГБО способны на сегодняшний день преодолеть планку евро-2. Несколько иная картина в западных странах. В Европе, как известно, с 2005 г. вводятся требования евро-4. Наиболее серьезные проблемы в части обеспечения этих требований касаются дизельных двигателей, главным образом в отношении ограничения выбросов NOx и частиц. Если предшествующие требования, включая уровень евро-3, удавалось выполнить в основном совершенствованием топливной аппаратуры и рабочего процесса двигателя, то для обеспечения требований евро-4 потребуется, вероятно, установка дополнительных дорогостоящих устройств очистки отработавших газов: селективных нейтрализаторов оксидов азота и фильтров – дожигателей частиц. В этой ситуации конкурентоспособность искровых газовых двигателей существенно возрастает.

В нашей стране широко распространено мнение, что основной причиной, сдерживающей применение метана на автотранспорте, является отсутствие законодательной базы и организационно-управленческих решений, должным образом стимулирующих развитие этого важного направления.

На наш взгляд, однако, не менее важными причинами того, что «метановое» направление в Российской Федерации до сих пор не получило должного развития, соответствующего потенциальным возможностям метана как экологически чистого моторного топлива, являются недостаточный технический уровень, экономическая эффективность предлагаемых решений и, соответственно, конкурентоспособность газовых автомобилей по сравнению с автомобилями, работающими на нефтяных топливах.

От успешного решения следующих технических проблем будет зависеть динамика применения метана на автомобильном транспорте:

- создание искровых газовых двигателей большого объема (на базе соответствующих дизелей), работающих на «бедных» топливовоздушных смесях и соответствующих современным требованиям по экологии (не ниже евро-2);

- повышение надежности элементов газобаллонного оборудования и двигателей, работающих на газе;

- развитие технологий изготовления и, соответственно, снижение цен на облегченные баллоны высокого давления для хранения газа;

- создание конструкций ГБО и баллонов высокого давления, предназначенных для работы с большими рабочими давлениями(300 и более бар);

- развитие криогенных систем бортового хранения метана и инфраструктуры заправок сжиженным метаном;

- создание однотопливных автомобилей, работающих на газе, для использования в качестве такси или транспорта коммунальных служб города.

Метан и экология

Является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 21 единицу.

Метан является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Сейчас среднее содержание метана CH4 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO2), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана — то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей — существенно выше, чем от СО2. Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов — СO2, паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.

Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/M3 (Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»).

С воздухом метан образует взрывоопасные смеси, что является основной причиной взрывов на угольных шахтах.

Источники

Метан, М., 1978; Катализ в С1-химии, пер. с англ., Л., 1987; "Успехи химии", 1989, т. 58, в. 1. А. А. Братков.

"Справочник химика" т.1, Л.-М.: химия, 1963 стр. 618

"Справочник химика" т.2, Л.-М.: химия, 1964 стр. 780-781

"Справочник химика" т.3, Л.-М.: химия, 1965 стр. 316-317

Рабинович В.А., Хавин З.Я. "Краткий химический справочник" Л.: химия, 1977 стр. 160

Арустамов Э.А. Безопасность жизнедеятельности. – М.: 2001.

Белов С.В. Безопасность жизнедеятельности. – М.: 2000.

Гарин В.М. Экология для технических вузов. – Ростов на Дону: 2001

Опубликовано на forexAW.com: Среда, 13 Январь, 2010 года — 16:33.

Последнее редактирование: Суббота, 19 Май, 2012 года — 14:02.