126 просмотров

Химия биотоплива: как они горят?

В предыдущей статье мы говорили о горении углеводородов и подробно рассказывали не только о том, как они сгорают в идеальных условиях, но и о том, как они сгорают в реальных условиях. В этой статье мы делаем то же самое для биотоплива, начиная со спиртов.

Сжигание алкоголя

Этанол, метанол, бутанол и другие спирты легко воспламеняются. Интересно, что и спирты, и бензин не горят в жидкой форме. Другими словами, жидкие формы этих молекул относительно трудно сжечь, почему?

Ответ связан с кислородом (молекулярным кислородом). Для горения требуется кислород, и только бензин или спирт, подвергающиеся воздействию кислорода, могут гореть. В жидкой форме оба вещества упакованы достаточно плотно, чтобы предотвратить попадание слишком большого количества кислорода в жидкость. Вот почему бензин лучше сгорает, когда его впрыскивают в двигатель через топливную форсунку. По этой же причине горит поверхность этанола, а не все жидкое содержимое. Таким образом, оба вида топлива должны быть распылены для эффективного сгорания.

При сжигании этанола в присутствии кислорода мы получаем примерно такое уравнение.

Сжигание этанола

Когда бутанол горит, мы видим это.

Горение бутанола

Эти уравнения, конечно, являются идеальными соотношениями. Поскольку спирт содержит очень мало серы, при его сжигании образуется очень мало диоксида серы и, следовательно, мало серной кислоты. Однако алкоголь не является «чисто горящим топливом». Алкоголь и любое топливо, полученное из недавно живых растений и животных, содержат большее количество азота. Это означает, что биотопливо производит больше оксида азота и других соединений азота при сжигании. В некоторых случаях это не только компенсирует экономию за счет отказа от производства соединений серы, но и фактически ухудшает долгосрочную тенденцию кислотных дождей.

Статья в тему:  Что можно сделать из биотоплива гугл стипендиат

Спирты также не застрахованы от проблем неэффективного сгорания. Неэффективное сгорание алкоголя приводит к образованию угарного газа, формальдегида, аммиака, бензола и других токсичных химических веществ. В некоторых исследованиях при сжигании этанола образуется больше формальдегида, токсичного и канцерогенного соединения, чем при сжигании бензина. В конечном счете, при сжигании этанола образуется меньше угарного газа, потому что само топливо поставляет некоторое количество кислорода в дополнение к тому, что содержится в атмосфере. Преимущества с точки зрения монооксида углерода меньше с бутанолом, потому что отношение кислорода к углероду ниже в бутаноле. В этаноле соотношение составляет одна молекула кислорода к двум молекулам углерода или 1:2. В бутаноле соотношение составляет 1:4.

Мы можем провести небольшой анализ, чтобы определить, сколько побочного продукта производит этанол по сравнению с бензином. Это сравнение будет только для фактического этапа сжигания и не включает производство, распределение и т. д.

При сжигании килограмма бензина мы получаем примерно 33 мегаджоуля энергии и где-то порядка 3,09 килограмма углекислого газа. При сжигании килограмма этанола мы получаем 20 мегаджоулей энергии и около 1,91 килограмма углекислого газа. Однако помните, что мы получаем в 20/33 раза больше энергии из этанола или только примерно в 0,61 раза больше энергии.Это означает, что нам нужно сжечь 1,64 кг этанола, чтобы получить эквивалентное количество энергии, что дает нам до 3,14 кг углекислого газа. Таким образом, этанол производит БОЛЬШЕ углекислого газа, чем бензин.

Статья в тему:  Для чего используется слот в генераторе биотоплива

Что касается бутанола, то на килограмм сожженного газа приходится около 2,37 кг углекислого газа. Поскольку он возвращается где-то порядка 29 МДж/кг, нам нужно всего около 1,14 кг, чтобы получить такое же содержание энергии, как у бензина. Таким образом, при одинаковом содержании энергии бутанол производит всего около 2,7 кг углекислого газа, что опережает бензин и значительно опережает этанол.

Сжигание биодизеля

Существует два типа биодизельного топлива, которые обычно используются при расчете сгорания: длина цепи C19 и C20. Мы сосредоточимся только на C19 (девятнадцать атомов углерода в цепи), чтобы не усложнять задачу. Уравнение идеального сгорания биодизеля выглядит так.

Идеальное сгорание биодизеля

Если мы посчитаем это уравнение, то обнаружим, что биодизель производит около 2,52 кг углекислого газа на каждый килограмм сожженного топлива (2,59, если мы используем C2O). Это очень выгодно по сравнению с нефтедизелем, который производит 3,17 кг углекислого газа на килограмм топлива. Если принять во внимание сокращение выбросов серы, то биодизель, похоже, неплохо справляется (по крайней мере, лучше, чем этанол). Конечно, мы не можем забыть включить преобразование энергии, которое составляет около 38 МДж/кг для биодизеля и около 43 МДж/кг для нефтедизеля. Таким образом, нам нужно примерно в 1,13 раза больше биодизеля, чтобы получить такое же количество энергии, и поэтому мы произведем около 2,86 кг углекислого газа.

Статья в тему:  Какие элементы и соединения для биотоплива

Самой большой проблемой биодизеля является производство соединений азота, а именно оксида азота, которые сами по себе ядовиты и способствуют образованию кислотных дождей. По странной иронии судьбы было показано, что изменение температуры в дизельном двигателе может уменьшить производство соединений азота только для увеличения образования сажи.Таким образом, существует компромисс, который, по-видимому, значительно ограничивает полезность биотоплива для снижения общих выбросов.

Нижняя линия

Биотопливо — неоднозначное благо. С одной стороны, они возобновляемы и при правильном выборе могут сократить выбросы углекислого газа. С другой стороны, они имеют тенденцию к увеличению выбросов других ядовитых или вредных химических веществ, и это не говоря уже о воздействии, которое оказывает выращивание этих видов топлива. Конечно, по мере того, как наши потребности в энергии растут, а наша способность добывать нефть стабилизируется или снижается, мы, вероятно, увидим, что все больше и больше биотоплива заменяет ископаемое топливо, а это означает, что производителям двигателей лучше уделять пристальное внимание тому, как горит биотопливо!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x