•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
F.V.O. Nr.
3C>-<-9
Vakgroep Chemische Procestechnologie
Verslag behorende
bij het fabrieksvoorontwerp
van
· .
.
.
.
. . .
.
t~~:e
-tL
/le
(3c/(fe./1
7:~
:
i
...
·;Sd
.
.
...
.
.
....
..
.
·
..
...
....
/er:~
. .
ç(e . ...
0~
..
..
.
.
....
.
onderwerp:
·
...
·
v:1lt.c/.{L;~!lCé.
.
{L.{!-? .
.
Çl?i/(
'
o.~~
'
l
.q
S.X:Ji
·
..
. . . . .
. . . .
. . . .
. . . .
..
....
....
.
adres:
@o
-?"'/e
L/Lcle
2S-1
2Ó
1/
SZt
!
J)e
tri";
o
I:)
-
/46
6Jó
Voc-t)/taa-.i
4Z
z.6
/1
I~
:;Jet;!!
o/s-
/3/412.
.
J
,
}~'(
T
U
Delft
Technische Universiteit Delft
opdrachtdatum :
/6-
2 -
193
verslagdatum :
2.
J -6
-
,
Ic]
3
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
I INHOUDSOPGA VE
II Samenvatting en conclusie
11.1 Methanol als autobrandstof
II.2 Fabrieksontwerp voor fuel-grade methanol
DEEL I
III Inleiding methanol als autobrandstof
IV Motoren
IV.1 M100 in Otto-motoren
IV.2 FFV Flexible Fuel Vehicle
IV .2.1 Voorbeelden van toepassing
IV.3 Methanol in dieselmotoren
IV.3
.
1 Autobussen
IV.3 .1.1 Voorbeelden van toepassingen
IV.3.2 Methanol in dieselmotoren in vrachtwagens
IV.3.3 Personenauto's met een dieselmotor
IV
A
Gedissocieerde methanol motor
V Brandstofspecificaties
DEEL 11
VI Inleiding fabrieksontwerp
VII Uitgangspunten voor het ontwerp
VII. 1 Exogene gegevens
VII. 1. 1 Capaciteit
VII. 1.2 Specificaties van grondstoffen, hulpstoffen en product
VII.2 Endogene gegevens
VII.2.1 Fysische constanten
VII.2.2 Veiligheidsaspecten
VII.2.2.1 Methanol
VII.2.3 Materiaalkeuze met betrekking tot corrosie-aspecten
VIII Beschrijving van het proces
VIII. 1 De voedingssectie
Vill.2 De reformersectie
Vill.3 De methanolsectie
VillA De spui- en stoomopwekkingssectie
Vill.5 De destillatiesectie
IX Procescondities
IX. 1 Thermodynamica
IX.2 Aannamen bij de berekeningen
IX.3 De reformersectie
IX.3.1 De stoomreformer
IX.3.2 De katalytisch partiële oxidator
IX.3.3 Koolafzetting
IXA De methanolsectie
IX.5 Destillatiesectie
IX.6 De zuurstofsectie
X Warmte
-
en massabalans
X.I Massabalans
X.2 Warmtebalans
2
2
3
6
11
11
12
14
15
15
16
18
18
19
22
25
26
26
26
26
27
27
27
28
29
30
30
30
31
32
33
34
34
34
35
35
36
37
37
38
39
40
40
41
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
XI Economische evaluatie
XL! Kosten
XL!.! KA : Algemene kosten
XI. 1.2 KP: Productievolume afhankelijke kosten
XI. 1.3 KV: Verzekeringskosten
XI. 1.4
Rr:
Jaarlijkse afschrijving
XL 1.5 Kkat: Katalysatorkosten
XL 1.6 Kloon: Arbeidskosten
XLI. 7 Konderh.: Onderhoudskosten
XLl.8 KO Indirecte productiekosten of plant overhead
XI.2 Opbrengst
XI.3 Winst/verlies
XIISymbolenlijst
XIII Literatuurlijst
Bijlagen
1. Fysische eigenschappen van methanol, benzine en diesel
2. ProcesschemaJflowdiagram
3. Massa- en warmtebalans
4. Investeringsgegevens
5. Overzicht specificatie apparatuur
6. MEDA flowschema
7. Uitvoer programma
42
42
43
43
43
43
45
45
46
46
46
46
48
50
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
11. SAMENVATTING EN CONCLUSIE
11.1 Methanol als autobrandstof
In het eerste gedeelte van dit fabrieksvoorontwerp is een literatuurstudie
gedaan naar methanol als autobrandstof. Van alle alternatieve brandstoffen
voor het wegverkeer is methanol waarschijnlijk één van de meest
veelbelovende, zeker op korte termijn.
Er zijn verschillende toepassingen mogelijk:
1. in Otto- of benzinemotoren
i. alleen methanol (Ml00 motoren)
ii. een mengsel van 0-85% methanol en benzine (Flexible Fuel Vehicles)
2. methanol in dieselmotoren
3. gedissocieerde methanol in een dissociatiemotor
Voor elke toepassing is gekeken naar het brandstofverbruik, de aanpassingen
aan de motor en het brandstofsysteem en het stadium van ontwikkeling
hiervan, emissies van schadelijke stoffen alsmede de kans op invoering van
elke toepassing.
Omdat de brandstofkosten per te rijden kilometer voor methanol duurder zijn
dan
die voor benzine of diesel, is tevens voor elke toepassing uitgezocht in
hoeverre de methanol water en hogere alcoholen mag bevatten, wat de
methanol productiekosten zou kunnen drukken.
De Flexible Fuel Vehicles (FFV's) en de dieselmotoren worden op kleine
schaal al gebruikt voor normaal transport. Ml00 motoren zijn nog niet op
kleine schaal produceerbaar. De ontwikkeling aan deze motoren is halverwege
de jaren 80 stopgezet omdat FFV's een veel grotere kans van invoering
hebben. De dissociatiemotoren bevinden zich nog in een pril stadium van
ontwikkeling.
Op basis van calorische waarde heeft methanol in Otto-motoren gemiddeld
een efficiency van ongeveer 10% ten opzichte van benzine. Voor
dieselmotoren is dit ongeveer 0%.
Het gebruik van methanol draagt bij aan de reductie van schadelijke stoffen, in
het bijzonder van koolmonoxide en vluchtige organische stoffen. De overall
CO
2-uitstoot ("weU to wheal") is voor methanol uit aardgas ongeveer even
groot als die van benzine of diesel uit aardolie.
De methanol voor FFV's en dieselmotoren mag maximaal 0.3% water
bevatten. Voor Ml00 is dit 1
%.
Daarnaast is de toegestane hoeveelheid hogere
alcoholen 5% voor FFV's en 2% voor dieselmotoren en Ml00-motoren. Er
zijn geen uitgebreide onderzoeken bekend naar het verband tussen prestaties
van de motor en de specificatie van de methanol.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Op korte termijn maken de dieselmotor voor autobussen en de FFV (auto's)
vanwege hun gebleken betrouwbaarheid de meeste kans op invoering. Een
andere belangrijke overweging hierbij is, dat FFV's ook op benzine kunnen
rijden wanneer geen methanol aan de pomp verkrijgbaar is en dat bussen vaak
gebruik maken van een centraal distributiepunt voor hun
brandstofvoorziening. Dit maakt een geleidelijke invoering van methanol
mogelijk.
Voor de in het tweede deel
van
dit fabrieksvoorontwerp te produceren
fuel-grade methanol is echter gekozen voor de specificatie van de
MWO-motor
(1
% water en 2% hogere alcoholen) vanwege de laagste emissies en de meest
progressieve brandstofspecificatie ten opzichte van water.
11.2 Fabrieksontwerp voor fuel-grade methanol
In
dit fabrieksvoorontwerp wordt een methanolfabriek ontworpen om
fuelgrade methanol te maken. Fuelgrade methanol verschilt ten opzichte van
de A- of AA-grade methanol door een hoger toegestane fractie hogere
alcoholen en water (maximaal 1 % ).
De fabriek werkt in de syngas-sectie met een gecombineerd
stoomreformer/partieel oxidatie proces. Het voordeel van dit gecombineerd
exotherm/endotherm proces is dat er uit de syngas-sectie de gewenste
verhouding
CIH
komt.
Een ander voordeel is dat de exotherme partiële oxidatiereactor energetisch
gunstig werkt; zijn warme uitgaande stroom (970·C) dient als
energieleverancier van de endotherme stoomreformer. Een nadeel is dat dit
een hogere investering met zich meebrengt, tevens ook doordat voor deze
reactor pure zuurstof nodig is en dit in een bijbehorende zuurstofscheider
gemaakt moet worden.
De fabriek
voorziet
volledig in zijn eigen energie doordat tekorten worden
aangevuld met extra verbranding van aardgas.
Doordat fuel-grade methanol een minder zuiver hoeft te zijn, is een kleinere
destillatie sectie nodig en heeft daardoor een lager energieverbruik. Dit is de
winst ten opzichte van chemisch zuivere methanol.
Het ontwerp van de fabriek beperkt zich tot een simulatie in het
flowsheetprogramma TISFLO/MEDA, waarbij het basisconcept is
aangeleverd door DSM-Geleen. Een stoomsysteem is verder niet uitgewerkt
en wordt slechts weergegeven door een warmtewisselar zodat toch gewerkt
kan worden met de benodigde hoeveelheid energiedie een volledig
stoomsysteem nodig heeft.
De fabriek heeft de volgende eigenschappen:
1.
2.
3.
3
De capaciteit is 761 k"1on per jaar
Het energieverbruik is 29.1 GJ per ton methanol
Er wordt 87%
van
het aardgas omgezet naar methanol
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Een kostenberekening is gemaakt die uitdrukking geeft aan de grote van het
verlies van deze fabriek: 103 Mfl. per jaar. De grondstofkosten bedragen 161
Mfl. terwijl de opbrengst slechts 152 Mfl. is. Deze opbrengst is gebaseerd op
een prijs van
fl.
200 per ton product. Bij deze prijs zijn de productiekosten van
methanol en benzine per te rijden kilometer in auto' s gelijk.
Er is een aantal mogelijkheden om het verlies te verkleinen:
1.
stikstof uit de zuurstofscheider verkopen
2.
verbetering conversie
3.
fabriek in gebied waar aardgas goedkoper is, bijvoorbeeld in
olieproducerende landen waar overtollig aardgas wordt afgefakkeld
4.
een hogere productprijs, die mogelijk gemaakt wordt door stijging van
de
olieprijs of het heffen van een milieutax op benzine.
Het doel van dit ontwerp was een globale indruk te krijgen van een fuelgrade
methanol producerende fabriek. Het verdient dus aanbeveling dit project
verder uit te werken.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
5
DEEl)
I
METHANOL
ALS
AUTOBRANDSTOF
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
111 INLEIDING
METHANOL ALS AUTOBRANDSTOF
Al sinds de jaren '30/'40 maakte men gebruik van methanol als brandstof in
vliegtuigmotoren en race-auto's vanwege het gunstige acceleratiegedrag. In
de tweede wereldoorlog reed men in Duitsland ook op methanol wegens het
ontbreken van benzine. Dat methanol als motorbrandstof gebruikt kan worden,
is dus al langere tijd bekend.
Toch is pas in het begin van de jaren '70 gestart met vergaand onderzoek
naar het gebruik van methanol als vervangende brandstof voor benzine of
diesel. Tijdens de oliecrisis in die periode realiseerde men zich, voornamelijk
in de Verenigde Staten, de afbankelijkheid van de olie. Op dat moment was
het rendabel onderzoek te doen naar alternatieve brandstoffen omdat de olie
erg duur was. Het is gebleken dat methanol een van de meest belovende
alternatieven was (en nog steeds is). Bovendien was methanol te bereiden uit
een aantal verschillende grondstoffen zoals: aardgas, steenkool, olie en suiker;
zowel via chemische als biochemsiche weg. Later, toen de crisis voorbij was,
was de directe noodzaak voor een alternatieve brandstof op korte termijn niet
meer aanwezig en heeft men diverse onderzoeken gestaakt.
De
Verenigde Staten hebben echter het beleid voortgezet hun afbankelijkheid
van olie te beperken. Ten eerste vanwege de politieke instabiliteit van het
Midden Oosten en ten tweede vanwege de eindigheid van de olievoorraden.
In
Californië (maar ook in andere staten) bestond echter nog een probleem.
Grote steden als San Francisco hadden erg veel last van smogvorming die
voor een niet-onaanzienlijk deel werd veroorzaakt door de uitlaatgassen van
automotoren. Bovendien maakte men zich zorgen over de steeds dunner
wordende ozonlaag. Er werd een grootschalig onderzoeksprogramma
opgesteld, waarin men (in eerste instantie) de ontwikkeling van voertuigen
rijdend op alternatieve, schonere brandstoffen centraal stelde.
Cl-brandstoffen hadden in dit onderzoek de meeste belangstelling vanwege hun
minimale uitstoot van roetdeeltjes bij verbranding, een belangrijke eigenschap
in de strijd tegen smogvorming. In een later stadium - men hield zich toen
bijna alleen nog met methanol bezig - werden voertuigen geoptimaliseerd op
minimale uitstoot van CO, NOx en andere schadelijke stoffen. Een deel van
het wagenpark van de overheid van Californië, waaronder ook stadsbussen,
rijdt thans op (een mengsel met) methanol.
De grote vraag waar fabrikanten en consumenten zich voor gesteld zien is:
Kan methanol prijstechnisch concurreren met benzine op dit moment? Deze
laatste vraag impliceert meteen een volgende vraag: Wat zijn dan de
problemen die zich voordoen bij de invoering van methanol?
Bij het beantwoorden van deze vraag gaan we gemakshalve uit van het feit dat
je 1,8 maal zoveel methanol nodig hebt als (super-)benzine om hetzelfde
aantal kilometers te kunnen afleggen (In de beschouwing van diverse soorten
motoren wordt dit getal onderbouwd). Aan de hand van een aantal
kostenposten moet benzine vergeleken kunnen worden met methanol. Deze
zijn: investering, grondstofkosten, distributiekosten, invoering van het
systeem, motorkosten en energieverbruik voor productie. In de eerste vijf
kosten kunnen we al een redelijk inzicht krijgen. Hieronder volgt een
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
kwalitatief inzicht dat in de loop van het onderzoek zal worden
gekwantificeerd. [18]
-investering:
Een methanol fabriek is duurder dan een raffinaderij voor
benzine. Het hangt dus van de rente van dat moment af hoe de
investeringskosten meewegen in de rest van de kostprijs.
-grondstof:
De kosten van grondstof in methanol (aardgas) is,- afhankelijk
van waar het gekocht wordt- goedkoper dan aardolie voor
benzine per liter geproduceerde brandstof.
-distributie:
Methanol heeft een groter
volume
per energie-inhoud en dus
hogere distributiekosten.
-invoering:
Elk nieuw systeem brengt hoge investeringskosten met zich
mee. Benzine is er al en heeft deze kosten dus niet. Een ander
punt is dat de vervanging van methanol als brandstof de
bestaande brandstoffen zal verdringen en dus de olie import
verminderen. Dit heeft weer een economische impact op de
prijs van een vat ruwe olie. Hoe zullen de OPEC-landen
reageren op deze nieuwe concurrentie?
-Motor:
De aanpassingen voor een methanol motor zijn relatief gering,
vooral wanneer zij op grote schaal geproduceerd worden.
Een belangrijk onderdeel van de kostenposten is het energieverbruik voor
productie. Alle autofabrikanten doen hun ontwikkelingen en testen met
chemisch zuivere methanol. Deze bezit een zuiverheid van minstens 99,85%.
De vraag is, - en hier komen we bij één van de kernpunten van ons
onderzoek,- moet brandstof methanol wel de chemische zuiverheid bezitten,
of kunnen onzuiverheden uit het productieproces toegestaan worden bij de
verbranding en kunnen misschien wel een aantalopwerkingsstappen
weglaten worden. Het toestaan van hogere alcoholen bijvoorbeeld werkt
besparend op de energie kosten van de destillatie. Opvallend is dat
methanolproducenten melding maken van een fuel-methanol die minder
zuiver hoeft te zijn dan chemische-zuiver methanol, maar nergens worden
testen gedaan met die fuel-methanol in methanol motoren. Volkswagen
bijvoorbeeld verklaarde geen enkele test te hebben gedaan met een methanol
anders dan chemisch-zuivere [19]. Wel heeft men vaak het watergehalte
aangepast (verhoogd) omdat de aanwezigheid van water corrosie vermindert
en de verbranding bevordert.
De
literatuur maakt echter zelden melding
van
andere toegestane onzuiverheden. Er worden nog wel wat noodzakelijke
additieven toegevoegd.
Wel maakt de literatuur melding van het gebruik van methanol als
loodvervanger in benzine, waarbij de methanol soms met hogere alcoholen
wordt gemengd om fasenscheiding tegen te gaan [31,32]. In sommige landen
(in een deel van zuid Italië bijvoorbeeld) wordt inderdaad een mengsel van
methanol en hogere alcoholen tot een aantal procent bijgemengd bij benzine,
zonder dat de auto's worden aangepast.
Motortechnisch gezien heeft methanol ook een aantal voordelen. Bij lage
vermogensbelasting kan methanol verbrand worden met meer lucht ("lean
bum ") en heeft daardoor een betere benutting van de warmte die bij de
verbranding vrijkomt. Ook kan bij methanolmotoren een hogere
compressieverhouding worden toegepast vanwege zijn hogere klopvastheid;
ook dit draagt bij tot een beter rendement. Zowel benzinemotoren als
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
dieselmotoren zijn betrekkelijk makkelijk aan te passen voor het gebruik van
methanol als brandstof. De belangrijkste aanpassingen zijn: (ander)
ontstekingsmechanisme, andere luchttoevoer, zwaardere brandstofpomp, het
gebruik van corrosiebestendig materiaal in tank en leidingen, andere filters en
een grotere brandstoftank. Dit laatste is noodzakelijk omdat methanol een
lagere calorische waarde heeft per volume-eenheid dan benzine (of diesel),
zodat meer brandstof per afgelegde kilometer nodig is.
Er zijn echter ook een aantal nadelen. Door de hogere verdampingswarmte
van methanol ontstaan er, wanneer hier geen voorzieningen voor worden
getroffen, problemen bij het starten van een koude motor. Ook blijkt de
formaldehyde uitstoot groter dan die van benzine. Onder invloed van
UV-straling is dit toxisch en kan kanker veroorzaken (In de VS worden zo'n 75
sterfgevallen per jaar aan formaldehyde toegeschreven).Van sommige
katalysatoren wordt geclaimed dat ze deze formaldehyde-uitstoot kunnen
terugbrengen naar nul [12].
Over de vraag in hoeverre het gebruik van methanol per gereden kilometer
duurder is dan benzine of diesel lopen de schattingen uiteen van iets
goedkoper tot 30% duurder [19,34,35]. De productiekosten van methanol en
benzine zijn per kilometer even groot indien methanol voor fl 200 per ton.
Deze prijs is gebaseerd op de productiekostan van superbenzine, fl9.19 per
ton en een efficiency van methanol
van
10% ten opzichte van benzine [34].
Er is onderzoek gedaan naar verschillende soorten motoren, die kunnen
worden onderverdeeld in de volgende hoofdgroepen:
1.
Mloo
2. Meth. diesel
3.FFV
Motor rijdt op pure methanol volgens het principe van een
benzinemotor
Motor rijdt op pure methanol in een dieselmotor
Motor is in staat op verschillende soorten
methanol/benzine
mengsels te rijden van 0% tot 85%
methanol.
4. Gedissocieerd
Door methanol eerst te dissociëren en daarna te
verbranden
wordt een hoger thermisch rendement
verkregen.
Deze verschillende motoren brengen allemaal hun eigen brandstofspecificatie,
rendement, emissies en technische ontwikkeling met zich mee.
Di
t brengt ons
tot een kernvraag van dit onderzoek. Welke soort motor wordt gekozen om
een methanolfabriek voor te ontwerpen en op grond van welke criteria wordt
deze motor gekozen. Er zijn een aantal belangrijke punten die direct hun
weerslag vinden in de keuze van de motor:
1. kostprijs van methanol in vergelijk met de huidige brandstoffen.
2. grootte van de emissies van NOx, CO, formaldehyde en andere organische
verbindingen
3. snelheid van het invoeren van methanol als alternatieve brandstof.
sub 1. De kostprijs van een product is de belangrijkste reden voor het wel of
niet produceren ervan door een commerciële instelling.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
sub 2. Het wegverkeer is voor een aanzienlijk deel verantwoordelijk voor de
uitstoot van schadelijke stoffen
.
De percentages zijn weergegeven in
onderstaande tabel. 1
verbinding
aandeel
(%)
CO
63
NOx
46
CÜ2
18
aerosolen
22
loodverbindingen
64
vluchtige org.
41
verbindingen
SÜ2
3
Tabel
1.
Aandeel van het wegverkeer in de totale emissies door
menselijke activiteiten in Nederland (1989) [36].
Methanol als autobrandstof geeft in vergelijking met zowel benzine als
diesel een veel lagere uitstoot CO en NOx. Er worden geen
loodverbindingen uitgestoten en met behulp van geschikte
katalysatoren kan zowel de uitstoot van aerosolen en formaldehyde tot
vrijwel nul gereduceerd worden. Volgens Krumm [34] is de COx
emissie in een zogenoemde "weIl to wheel" analyse voor methanol
ongeveer even groot als die van benzine of diesel. Wanneer methanol
op grote schaal zou worden gebruikt als alternatieve brandstof, zou dit
dus een niet onaanzienlijke bijdrage kunnen leveren aan reductie van
enkele schadelijke emissies.
Alhoewel de huidige brandstoffen aan de de vastgestelde maximale
emissies voldoen, wordt echter steeds belangrijker de emissies te
verminderen door de zwaarder wordende milieu-eisen. Dit zou kunnen
worden uitgedrukt in een lagere accijns op methanol-brandstof zoals
dat ook gedaan is met de katalysator.
In
Nederland gelden andere maximale emissiewaarden dan in de
Verenigde Staten. Er is bijvoorbeeld geen standaard in de EEG voor de
uitstoot van aldehyden. Dat komt omdat de nadruk in Europa meer op
het tegengaan van de verzuring ligt [33]. De auto-industrie in de VS
krijgt bepaalde voordelen wanneer zij nieuwe voertuigen op de markt
brengen die voldoen aan de zgn. California Low Emission Vehicle
Standards. Deze zijn onderverdeeld in 4 catagoriën, te weten (in
volgorde van steeds lagere emissiestandaards ) TLEV, LEV, ULEV en
ZEV, wat respectievelijk voor Transitional Low -, Low -, Ultra
Low-en Zero Emission Vehicle staat[9],[23].
sub 3. De overgang van benzine naar pure methanol brengt een aantal
problemen met zich mee. Het veranderen van pompen en
transportmiddelen kost tijd en geld. Waar je bij benzine maar één
tankwagen nodig had, heb je er nu twee nodig. Ook zullen de motoren
tijd nodig hebben in produktie te komen, zeker als het gaat om een
totaal nieuw soort systeem. De gedissocieerde methanol reactor is
hiervan een goed voorbeeld. Een oplossing zou kunnen zijn om een
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
motor te gebruiken die zowel op methanol als benzine rijdt zoals dat nu
al gebeurt met LPGlbenzine auto's. Bij het gebruik van methanol
motoren in bijvoorbeeld bussen [5] wordt dit probleem al een stuk
eenvoudiger. Bussen tanken vaak op een bepaalde plaats in een stad en
dus is de distributie minder omvangrijk.
Alle bovenstaande punten hebben een duidelijke motivering vanuit
verschillende invalshoeken bezien. De uiteindelijke keuze hangt dus voor een
groot gedeelte af van de prioriteiten van de kiezer.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
IV. MOTOREN
Bij het gebruik van Methanol als motorbrandstof kunnen we een viertal
verschillende toepassingen waarnemen. Dit zijn de Ml00-, de FFV -, en de
dieselmotor en de gedissocieerde methanol reactor. Zij onderscheiden zich in:
efficiëntie, uitstoot van emissies, druk in cylinderkamer, samenstelling van
de brandstof, ontstekingsmechanismen en maximaal koppel.
Hieronder volgt een korte beschrijving van de verschillende
werkingsprincipes van bovengenoemde toepassingen.
IV.l MlOO
in Otto-motoren
In principe zou het gebruik van methanol zonder bijmenging van benzine tot
zeer hoge efficiënties kunnen leiden. Door de afwezigheid van benzine kan
namelijk de motor zodanig aangepast worden dat de verbranding van
methanol optimaal geschiedt ('lean burn'). De auto kan dan gekoeld worden
met lucht, waardoor de radiator geheel uit de auto zou kunnen verdwijnen. en
de auto lichter wordt. Uit literatuuronderzoek is gebleken, dat zo'n ontwerp
nog niet is gerealiseerd. Het gebruik van Ml00 levert echter altijd een hoger
koppel, snellere acceleratie en een hogere thermische efficiëntie.
Uiteraard zijn de emissies van schadelijke stoffen (m.u.v. formaldehyde en
methanol) bij het gebruik van methanol lager dan bij het gebruik van een
methanol-benzinemengsel.
Er is veel onderzoek gedaan naar mogelijke oplossingen voor koude-start
problemen. Eén van deze oplossingen is natuurlijk het bijmengen van benzine.
Andere oplossingen zijn het omzetten van methanol in dimethylether (DME )
volgens de exotherme reactie:
<1>
DME zou in situ gegenereerd kunnen worden in een zogenaamde" Cathalytic
Gaseous Fuel Generator". Ook electrische verdampers maken starten bij
temperaturen tot
-
15°C mogelijk. Electrische verdampers zijn weliswaar
simpel en goedkoop, maar moeten 1 tot 2 minuten voorverwarmen voordat er
gestart kan worden [37]
Het probleem van moeilijke koude start is nu niet meer het niet kunnen starten
van de motor bij lage temperaturen, maar het vinden van een geschik1:e
oplossing die geschikt is voor massa-productie.
Een ander probleem bij het gebruik van 'zuivere' methanol is de
onzichtbaarheid van de vlam bij verbranding. Een testwagen van TNO is
hierdoor geheel verbrand omdat deze brand te laat werd waargenomen. Bij het
gebruik van methanol in FFV's speelt dit probleem uiteraard niet. Er bestaan
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
wel additieven die de vlam zichtbaar maken, maar zijn vaak kostbaar enlof er
is veel van nodig (enkele procenten).
In het begin van de tachtiger jaren had de Bank of America al haar gehele
wagenpark op methanol rijden (deels MlOO ,deels M85). Volgens prof.
Othmer [10] reden de MlOO-auto's met een efficiëntie van 54%
(!).
Van een
zo hoge efficiëntie wordt in geen enkel ander artikel melding gemaakt .Helaas
is het rapport van de Bank of America niet meer te achterhalen om na te gaan
door welke aanpassingen een zo hoge efficiëntie werd bereikt. De Bank of
America houdt zich nu (waarschijnlijk) niet meer bezig met methanol [24].
Een groot aantal autofabrikanten heeft zich tot ongeveer halverwege de jaren
tachtig bezig gehouden met M 100 als brandstof. Auto's van o.a. Ford,
Volkswagen[27], Toyota[38], Chevrolet, Porsche [25], Volvo en Saab
[26,27]hebben bewezen dat het gebruik van M100 als brandstof mogelijk is.
De vermelde efficiënties liggen beduidend lager dan die van de Bank of
America, namelijk tussen de
°
en 23%. Allen hebben hun onderzoeken in
later jaren op het flexible fuel concept gericht en zich niet langer bezig
gehouden met het optimaliseren van M100 auto's. Eén van de grootste
overwegingen is hierbij geweest, dat methanol in de directe toekomst niet
wereldwijd verkrijgbaar zal zijn, waardoor een FFV meer kans van slagen
heeft.
Wanneer een
FFV
geoptimaliseerd wordt voor M85, worden bepaalde
problemen die bij M100 optreden verholpen (zichtbaarheid van de vlam,
explosiegevaar in de tanks,koude start) zonder dat de positieve eigenschappen
van het gebruik van methanol geheel verloren gaan (lean bum, hoge
CR,
lagere emissies)
Voor het gebruik van 'zuivere' M100 in Otto-motoren is bekend, dat
maximaal 1% water in methanol acceptabel is [20,21,22]. Een kleine
hoeveelheid water bevordert zelfs de verbranding in de motor en gaat corrosie
tegen.
Een geschikte "fuel-grade methanol" voor M100 zou volgens Belgen [20]
naast 1 % water ook tot 2% andere organische verbindingen dan methanol
mogen bevatten, zoals hogere alcoholen en methyl ether. Daarnaast moeten
uiteraard nog enkele andere additieven worden bijgemengd i.v.m.
smeerbaarheid, zichtbaarheid van de vlam en anti-corrosie.
De aanpassingen aan de auto benodigd voor het gebruik van M100 zijn
hetzelfde als die voor een
FFV
(zie hoofdstuk IV.2). Alleen een sensor kan,
wanwege het ontbreken van benzine, achterwege gelaten worden.
IV.2 FFV Flexible Fuel Vehicle
Een
FFV
is een auto die kan rijden op verschillende soorten mengsels van
benzine en methanol. In de brandstofspecificatie wordt dit weergegeven als
Mx, waarin x de hoeveelheid methanol is. De methanolconcentratie kan
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
variëren van 0 tot 85 volume%. Deze eigenschap biedt het perspectief een
periode te kunnen overbruggen waarin de methanol benzine als brandstof zou
kunnen vervangen. Een bijkomend voordeel is dat deze motoren minder last
hebben van koude start problemen zoals dat het geval is bij auto's die rijden op
pure methanol.
De verhouding zuurstof: methanol/benzine in het brandstofmengsel is
inherent aan de luchttoevoer via de carburateur. Dat betekent dat de
verhouding van het mengsel gemeten moet kunnen worden middels een sensor
in de brandstoftank. Een aantal methodes zijn hiervoor in gebruik. De meest
toegepaste sensor is gebaseerd op het verschil in diëlectrische constante.
Andere methodes maken gebruik van de optische eigenschappen van het
mengsel of verschillen in geleidbaarheid.
De informatie van de compositie sensor wordt samen met een aan de uitlaat
metende zuurstof sensor verwerkt tot een output die bepaalt hoe de
lucht/brandstof verhouding en de ontsteking moeten zijn om het mengsel
optimaal te verbranden.
De motor kan vanuit verschillende perspektieven worden ontworpen
afhankelijk van met welke verhouding mengsel er het meest gereden gaat
worden. Dit betekent dat de motor over de gehele range verhoudingen nooit
optimaal zal werken. Een voorbeeld hiervan is dat de compressieverhouding
altijd dusdanig laag moet zijn dat ook een 100% benzine mengsel niet gaat
pingelen.
Een bijzondere vorm van deze motor is de M85-motor, die speciaal ontworpen
kan worden om alleen op M85 te rijden.
In
de jaren '80 is er veel onderzoek
naar deze motor gedaan omdat men kon uitgaan van een gewone benzine
motor die met betrekkelijk weinig aanpassingen geschikt te maken was voor
methanol gebruik.
Algemene aanpassingen voor een FFV zijn de volgende [29]:
Brandstofsysteem:
-Tank is bekleed met nikkel om hem geschikt te maken voor methanol.
-Brandstofpomp moet meer kunnen verwerken per tijdseenheid.
-Ander brandstoffilter
-Injectie systemen met hogere capaciteit
Electronisch controle systeem
-Microprosessor die luchttoevoer regelt als functie van de temperatuur
van de motor en de brandstofsamenstelling
-brandstofcel
-evt. koude start systeem
overig
-andere motorolie
-andere vonkpluggen met een groter warmte overdragend oppervlak
. . - - - -
---•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
IV.2.1 Voorbeelden van toepassing
Een groot aantal autofabrikanten houden zich bezig met de ontwikkeling van
een FFV -auto. In tabel 2 volgen een aantal van die auto's. Zij onderscheiden
zich op een aantal hoofdkenmerken als: compressieratio, efficiëntie, uitstoot
diverse producten, wel of geen katalysator, laagste koude starttemperatuur.
T bel 2
a
:
een verge IJ
ssen versc
hll d
1en e mo oren.
t
FFV
CRl) Eff.
2)NO
xCO
alde-
OMH-
kataly-(%) (g/mi)
hyde
3)CE
4)sator
VW -golf/jetta
10
13
2,0
13
0,12
0,12
Volvo740
12,5 11,5 .1,0
2,2
°
0,21
aangepast
Mercedes 300
65 * 0,16
0,74 0,013
0,142
3-weg
Hyundai ;1,51; 4 cil. 10
5,5
Honda; 2,11; 4 eil
8,8
3-weg
Toyota corolla
11
14,8 0,1
1,45 0,009
0,14
oxidatie
Mitsubishi Galant
9
3
0,296
0,012
0,172
warmup
underfloor
Ford LTD Crown
10,7 0,8
2,25
0,25
stock
Victoria
Nissan Stanza
8,5
7,4
0,1
1,66 0,014
0,11
underfloor
1) Compressieverhouding
2) Efficiëntie
=
2 -
#
liters methanol met dezelfde kilometerinhoud als ]
I.
benzine
#
liters methanol met dezelfde kilometerinhoud als 11. benzine
LKS
CC)5
5
-25
-20
Voorbeeld:
Om 15 kilometer te rijden is 1 liter benzine nodig en 1,8
liter methanol.
De
efficiëntie is dan: (2 - 1,8)/1,8
=
11 %
3) voornamelijk formaldehyde
4) Organic Material Hydrocarbon Equivalent
5) Laagste Koude Starttemperatuur
*speciaal geoptimaliseerd (geen melding van details in literatuur)
Als specificatie voor de fuel-grade methanol voor FFV's wordt 0.5%water en
5% hogere alcoholen als maximum genoemd [13].
14
Lit.
verw.
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[29]
[30]
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
IV.3 Methanol in dieselmotoren
IV.3.1 Autobussen
De werking van een dieselmotor berust op het principe van spontane
verbranding van de brandstof onder druk. Een dieselmotor wordt daarom ook
wel een compression-ignitted engine genoemd.
De neiging van een brandstof tot spontane verbranding komt tot uitdrukking
in het cetaangetal. Diesel heeft een cetaangetal van 40 à
50 (afhankelijk van
de samenstelling) terwijl het cetaangetal van methanol tussen 0 en 5 ligt.
Het voornaamste criterium om een brandstof te gebruiken voor
compressieontsteking is, dat de temperatuur in de cylinder na injectie en
verdamping van die brandstof hoger is dan de temperatuur waarbij de stof
spontaan verbrandt.
Vanwege de lagere energie-inhoud per volume-eenheid moet er per run 2.3
keer zoveel methanol geïnjecteerd worden. Er moet dus een grotere
hoeveelheid brandstof verdampen waarbij bovendien ongeveer 5 keer zoveel
warmte voor nodig is in vergelijking tot diesel. De daling van de
cylindertemperatuur is als gevolg hiervan zo'n 150
oe,
ongeveer 10 keer zo
groot als bij diesel. Bovendien is de temperatuur waarbij methanol spontaan
ontbrandt ook ongeveer 150
oe
hoger dan diesel. Als gevolg van deze twee
effecten moet de temperatuur in de cylinder bij verbranding van methanol
ongeveer 300
oe
hoger zijn dan bij diesel.
Verhoging van de compressieverhouding
(eR)
verhoogt de inlaauemperatuur
van de methanol in de cylinders, maar niet voldoende.
In de praktijk is gebleken, dat deze 'spontane ontsteking' inderdaad
gestimuleerd moet worden. Dit kan op verschillende manieren:
1.
Door methanol methanol met de lucht te mengen (fumigatie) en dit
vervolgens met behulp van een kleine hoeveelheid diesel te
ontsteken. Dit werkt weliswaar goed [4], maar vereist twee aparte
bnmdstoftanks en -toevoersystemen. Dit is een dure oplossing.
2. Door het toevoegen van ontstekingsverbeteraars, zoals sommige
nitraten met een hoog cetaangetal. Deze ontstekingsverbeteraars
maken de brandstof aanzienlijk duurder.
3. Met behulp van electrische energie.
a) door het plaatsen van een gloei plug wordt de cylinderwand
opgewarmd. Een zgn. gloeiplugcontroller regelt de temperatuur in
de cylinderwand.
b) door het gebruik van een bougie die door electrische lading een
vonk genereert waardoor de methanol ontbrandt.
Door deze twee toepassingen is de dieselmotor eigenlijk een soort
OUo-motor geworden. Deze twee mogelijkheden zijn het meest
veelbelovend en worden al toegepast.
Naast één van bovengenoemde manieren om de ontsteking te verbeteren,
moeten de volgende aanpassingen in een dieselbus gemaakt worden voor het
gebruik van methanol:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
- tank en brandstofleidingen moeten resistent zijn tegen methanol,
bijvoorbeeld door ze te voorzien van een teflonlaag. De tank kan ook
van roestvrijstaal worden gemaakt.
- vanwege de lagere energie-inhoud per volume-eenheid van methanol
moet het volume van de brandstoftank groter worden.
- ander type katalysator om uitstoot van schadelijke stoffen verder te
te reduceren.
- andere afstelling van de kleppen voor een hogere
compressieverhouding (CR). Een hogere CR geeft een hogere
temperatuur bij injectie in de cylinder en verlaagt door volledigere
verbranding de uitstoot van schadelijke stoffen.
- andere injectiepompen die grotere hoeveelheden brandstof kunnen
toevoeren.
Aan de methanol moet bovendien één of meerdere additieven worden
toegevoegd om corrosie tegen te gaan, de smeerbaarheid te bevorderen en
injectieproblemen te voorkomen of tegen te gaan. Ook moet er een andere type
motorolie gebruikt worden. Een belangrijke eigenschap van de?-e motorolie moet
zijn, dat er wanneer zij in contact komt met de methanol niet of nauwelijks
afzettingen ontstaan. (deze afzettingen verontreinigen de leidingen en kunnen de
gloeipluggen of bougies verontreinigen.)
IV.3.1.1 Voorbeelden van toepassingen
Verschillende auto- en busfabrikanten hebben zich bezig gehouden - en zijn
nog steeds bezig- met het ontwerpen van compression-ignited engines
geschikt voor methanol. Hierbij is steeds uitgegaan van de reeds bestaande
dieselmotoren
.
In de meeste gevallen was, en is nog steeds, het zo ver
mogelijk reduceren van de uitstoot van schadelijke stoffen een hoofddoel in
het ontwerp.
Sommige van deze ontwerpen hebben geleid tot een geschikt model en
worden gebruikt in bijvoorbeeld stadsbussen. Voor al in Californië, waar
smogvorming in de grote steden en het steeds dunner worden van de ozonlaag
een groot probleem vormen, dragen deze bussen niet alleen bij aan
vermindering van de vervuiling maar hebben zij ook een voorbeeldfunctie:
voertuigen die op methanol rijden dragen bij aan een schoner milieu.
De 'Detroit Diesel Corporation' (DDC) [5,6], 'M.A.N.' [7] en Deutz AG [8]
zijn voorbeelden van maatschappijen die methanol motoren hebben ontwikkeld
die in stadsbussen worden toegepast. Zij maken alledrie melding van een
efficiëntie van 0% of minder (bij laag vermogen). Er kan weliswaar een betere
efficiëntie bereikt worden (van maximaal enkele procenten en ca. 0% bij laag
vermogen), maar alleen wanneer er concessies gedaan worden aan de uitstoot
en bijvoorbeeld de NOx-emissie zo hoog mag zijn als die van een dieselbus.
Karakteristieke eigenschappen wat betreft emissies van deze drie bussen zijn
weergegeven in tabel 3.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tabel3 EmISSIes van enkele stadsbussen rijdend op methanol [5,6,7,8]
Comp.
Standard
DDC
DDC
Deutz AG M.A.N.
(g/bhp-
1993 **
M100
diesel
M85
M100
h)*
HC
11.3
0.3
0.5
co
15.5
1.3
1.6
5.0
2.0
4.6
PM
20.1
0.04
0.21
Fonn.
30.1
***
0.05
*
gram per brake horsepower/hour
** 1993 Federal Urban Bus Standard USA
In Californië zijn de eisen strenger
***
voorstel
1)
som van uitstoot organische gassen
2) roet/aërosolen (particulate matter)
3) fonnaldehyde
1.1
0.13
?
0.14
4
3.91
0.12
0.05
?
0.03
DDC 's 6V-92-TA-motor (6 kleppen, turbocharged, aftercooled) is uitgerust
met gloei pluggen en een gloeiplugcontroller. In het nieuwste ontwerp worden
de gloeipluggen alleen nog gebruikt bij het starten en opwannen van de motor
(CR =23). De levensduur van deze gloeipluggen wordt hierdoor vele malen
verlengd. Daar de gloeipluggen een zwakke schakel in het ontwerp vonnden,
is hierdoor is ook de betrouwbaarheid van de bus aanzienlijk toegenomen.
De
katalysator is van keramisch monolitisch materiaal op platina-basis.
Aan de methanol wordt slechts 0.06 massa% additief toegevoegd (Lubrizol
Corp. additive).
De methanol mag maximaal 0.3% water bevatten. Daarnaast zijn hogere
alcoholen toegestaan tot maximaal 2 massa%.
De 6V-92-TA methanol motor kan ook gebruikt worden voor M85 en
mengsels van ethanol en benzine(!)
In vergelijking met N.A.M. en Deutz AG (zie onder) is de methanolmotor
van DDC de meest betrouwbare.
M.A.N. maakt in haar M-2566 LUH en M-2566 MUH methanolmotoren
gebruik van bougies als ontstekingsverbeteraar. Hoewel ook deze motoren op
kleine schaal in stadsbussen worden toegepast, is de levensduur van sommige
onderdelen zoals de bougie nog onbevredigend.
In de nonnale uitvoering wordt een compressieverhouding van 18 gebruikt; in
de turbo's een lagere CR van 15. Ook hier wordt een oxidatie-katalysator
gebruikt voor beperking van de emissies.
Opvallend aan deze motoren is, dat zij lijken te zijn ontworpen op minimale
uitstoot
van
koolstofmonoxide (zie tabel 1).
Koude-startproblemen worden door geen van beide maatschappijen
ondervonden.
Deutz maakt gebruik van gloeipluggen. De gerapporteerde emissies zijn
wezenlijk hoger dan die van DDC en M.A.N., wat grotendeels te verklaren is
door het gebruik van M85 in plaats van M100.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
De M85 mag maximaal 0.3 -0.5% water bevatten.
De ontwikkeling van stadsbussen rijdend op methanol bevindt zich dus al in
een redelijk vergevorderd stadium.
IV.3.2 Methanol in dieselmotoren in vrachtwagens
(zwaar transport)
Ook voor zwaar transport kan de dieselmotor aangepast worden voor het
gebruik van 'zuivere' methanol als brandstof. De aanpassingen die hiervoor
benodigd zijn, zijn niet wezenlijk anders dan die bij autobussen.
Een voorbeeld van een motor die voor dit doel is aangepast, is de Caterpillar
3306 DITA engine [38]. Om de ontsteking van methanol te bevorderen,
wordt gebruik gemaakt van gloeipluggen. De compressieverhouding werd
van 14,5 (bij diesel) opgehoogd tot 16. Naast enkele noodzakelijke additieven
werd chemisch zuivere methanol gebruikt.
Opvallend is, dat er geen katalysator werd gebruikt. Deze motoren werden
toegepast in Kenworth trucks die in Canada in het kader van het Canadian
Methanol-In-Large-Engines (MlLE) programma dienst deden in lange afstand
transport.
Ondanks de geringe voorbereidingen (geen uitgebreide testprogramma's)
waren de resultaten veelbelovend. De gestelde doelen, het bereiken van gelijk
vermogen en koppel, werden bereikt. Koude start (tot -30°C) leverde geen
problemen, warme start verliep niet altijd even goed. De brandstofconsumptie
van methanol was, op basis van calorische waarde 5% hoger. De uitstoot van
roet, CO en NOx waren aanzienlijk lager dan die bij diesel, maar de uitstoot
van organische componenten voldeed niet aan de emissiestandaarden.
Aangezien het bereiken van zeer lage emissies in dit geval niet het doel van
het onderzoek was, is hier verder geen aandacht aan geschonken (een
katalysator had bijvoorbeeld nuttig kunnen zijn).
Het onderzoekt geeft aan, dat het gebruik van methanol in zwaar transport
zeker mogelijk is, maar dat de staat van ontwikkeling nog niet zover
gevorderd is als bij bijv. de stadsbussen.
IV.3.3 Personenauto's met een dieselmotor
Ook in personenauto's kan de dieselmotor aangepast worden voor het gebruik
van methanol. Een Volkswagen Jetta [9], voorzien van gloeipluggen en een
CR van 22, geeft lagere emissies dan zijn dieselequivalent (behalve qua
formaldehyde, uiteraard) . Bij lage snelheid voldoet de uitstoot aan de TLEV
(Transitional Low Emission Vehicle) specificaties.; het overall gemiddelde zit
hier wat betreft de uitstoot van formaldehyde nog net boven. Zie ook tabel 4.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tabel 4. Emissies van een Volkswagen Jetta (dieselmotor) rijdend op zuivere
methanol en diesel veroeleken
-E>'component
TLEV-
M100
Diesel (turbo)
standaard
(g/mile)
(g/mile)
(g/mile)
NMOG(1)
0.125
0.01
0.1
CO
3.4
0.3
0.4
NO
x0.4
0.3
1.0
HCHO
0.015
0.004
---PM
(2)0.08
0.02
0.12
1) Non Methane Organic Gases
2) roet/aërosolen
De efficiëntie zou 7 tot 22 % beter zijn in vergelijking met diesel. Opvallend
is, dat het koude-start rijgedrag (dus niet het starten) bij -30
oe
beter is dan dat
van de diesel- en benzinemotoren.
Er worden geen brandstofspecificaties genoemd.
IV.4 Gedissocieerde methanolmotor
Deze Otto-of dieselmotor maakt gebruik van het feit dat methanol in
gedissocieerde vonn een hogere calorische waarde heeft dan in
ongedissocieerde vonn. De methanol wordt in een refonner gedissocieerd en
vervolgens in de motor verbrand.
De dissociatie reaktie levert twee mol H2 en één mol CO:
CH30H --->
eo
+
2 H2
<2>
Deze dissociatiereactie is endothenn. Een lage druk en hoge temperatuur
bevorderen de dissociatie. Om de dissociatie van methanol snel te laten
verlopen werkt men in de praktijk bij een temperatuur van circa 300
oe
en
een druk van 1
á
2 atmosfeer met bijv.
Zno
als katalysator. De wannte die
benodigd is voor deze reactie kan worden onttrokken aan de uitlaatgassen die
met een temperatuur van 650
oe
uit de cylinder komen en nonnaal gesproken
slechts dient ter opwanning van het universum. Op deze manier wordt
afvalwannte opgeslagen in chemische energie. Wanneer als gevolg van deze
wannte-uitwisseling alle methanol verdampt, levert dit theoretisch (op basis
van de calorische waarden van vloeibaar en gasvonnig methanol) een
brandstofbesparing van 5% op.
Het hergebruik van afvalwannte is echter niet de grootste winstpost van het
gedissocieerde ten opzichte van ongedissocieerde methanol. In de lagere
vennogensgebieden
van
de motor kan het gedissocieerde methanol
verbranden met een veel grotere luchtlbrandstof verhouding ("lean bum") en
benut dus beter zijn verbrandingswannte.
19
---•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
De verbrandingswarmte van vloeibare methanol bedraagt 19956 kJ/kg en van
gedissocieerde methanol 23845 kJ/kg (Lower Heating Values). Op grond van
alleen de calorische waarde zou een brandstofbesparing t.o. v. methanol van
20% mogelijk kunnen zijn. In de praktijk blijkt dit slechts 3-7% te zijn [2].
Eén van de redenen hiervan is dat het H2/CO-mengsel een groter volume per
massaeenheid bezit en er daardoor voor compressie meer vermogen geleverd
moet worden. Ook heeft het H2/CO-mengsel een grotere
warmtecapaci tei tscoëfficient.
De goede verbrandingseigenschappen van het mengsel worden ontleend aan
de hoge brandsnelheid van H2 (280 cm/s) die slechts weinig wordt beïnvloed
door de aanwezigheid van CO.
Het verhogen van de compressieverhouding (tot CR=14) verhoogt de
thermische efficiëntie. Het nadeel hiervan is dat exotherme bijprodukt-reacties
een grotere rol gaan spelen. Ook wordt de emissie van de verschillende
afvalstoffen groter.
Ford is één van de autofabrikanten die zich heeft bezig gehouden met de
toepassing van gedissocieerde methanol in auto's [3]. Basis voor het
onderzoek vormde de theoretisch maximaal mogelijke efficiency van 22% in
vergelijking met
M 90
(dus 0.9*(20%+5%)= 22%). In hun onderzoek
maakten zij gebruik van een mengsel van CO en H2 in de verhouding
1:
2
omdat het dissociatieproces buiten het doel van het onderzoek viel.
De
testresultaten waren niet direct veelbelovend.
De
belangrijkste problemen die
genoemd werden zijn:
- hevige terugslag bij hogere toerentallen
- bij (koude) start kan de vloeibare methanol niet verdampt worden door
warmte-uitwisseling met de uitlaatgassen
- een grote reactor is waarschijnlijk het efficiëntst in brandstofverbruik,
maar warmt langzaam op, neemt erg veel ruimte in beslag en
vermindert de efficiency als gevolg van haar eigen gewicht.
- het optimaal gebruik van gedissocieerde methanol vereist het gebruik
van een micro-processor met veel feedback-sensoren.
Er bestaan (nog) geen reactoren die methanol volledig dissociëren tot een
mengsel van CO en H2 met hooguit zeer kleine hoeveelheden bijproducten.
Een onvolledige dissociatie geeft niet alleen een verlies van efficiency, maar
geeft ook een verhoogde uitstoot van schadelijke stoffen çn bovendien kunnen
ongedissocieerde methanol of water problemen veroorzaken doordat zij bij
condensatie verstoppingen in leidingen kunnen vormen. Een tegentrijdigheid
hierin is, dat de aanwezigheid van een beetje water juist wel de kans op
terugslag vermindert. Bij lage vermogensbelasting blijkt de dissociatie in een
reformer het hoogst. Naast de eerder genoemde mogelijkheden tot lean bum
bij deze lage vermogensbelasting (en dus efficiënter) schuilt hierin
waarschijnlijk de kracht van het gebruik van gedissocieerde methanol. Voor
hogere vermogensbelasting kan dan gebruik gemaakt worden van 'normale'
methanol als brandstof.
r - - - -
-
- - -
---•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Het Japanse JAR! (Japan Automobile Research Institute Inc.) heeft al wel een
systeem ontwikkeld waar een dieselbus op zowel gedissocieerde methanol (bij
laag vermogen) als methanol in normale vorm (bij hoog vermogen) rijdt [28].
Deze testbus is voorzien van bougies als onstekingsverbeteraar , een
dissociatie reactor, twee verschillende toevoermechanismes en de nodige
electronische regelapparatuur.
De
dissociatie reactor die hiervoor ontwikkeld
is, dissocieert methanol echter niet volledig: de hoogste conversie die gemeten
werd bedroeg 83%
.
De
gemeten thermische efficiency bleek slechts 3% hoger
te zijn dan die van ongedissocieerde methanol.
De
gerapporteerde emissies
zijn hoog: hoger dan die van diesel. Dit is waarschijnlijk het gevolg van de
onvolledige dissociatie en de lage staat van ontwikkeling van het complexe
meet
-
en regelsysteem.
Overigens kan methanol ook in CO en H2 worden omgezet volgens:
CH30H
+
H20
---
-
--->
C02
+
3 H2 (stoom reformeren)
<3>
Deze reactie levert slechts een verhoging van de verbrandingswaarde van
13%, terwijl de dissociatie 20% oplevert.
Ook het reformeren van methanol met lucht levert een lagere thermische
efficiency. Bovendien geldt voor het reformeren met lucht en stoom, dat zij
een hogere uitstoot aan schadelijke gassen geeft. De kans op roetvorming is
daarentegen wel kleiner.
Zolang een geschikte dissociatie reactor niet beschikbaar is, voelen de meeste
autofabrikanten er weinig voor om het onderzoek in de toepassing van
gedissocieerde methanol te continueren.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
V BRANDSTOFSPECIFICATIES
(keuze voor low-grade methanol specificatie)
Zoals reeds eerder is vermeld, is er in het onderzoek naar methanol als
(gedeeltelijke) vervanger van benzine of diesel altijd gebruik gemaakt van
commerciëel verkrijgbare, chemisch zuivere methanol. Alléén op grond van
verbetering van de eigenschappen van methanol, of een mengsel van methanol
en benzine, is onderzoek gedaan naar mogelijke andere specificaties dan de
chemisch zuivere. Er worden in de literatuur weliswaar suggesties gedaan
omtrend specificaties voor low-grade methanol, maar concrete
testprogramma's ontbreken. Zo houdt men zich van de kant van de
methanol producenten bezig met onderzoek naar de gelijktijdige productie van
methanol en hogere alcoholen. Dit blijkt niet alleen een betrekkelijk goedkope
manier te zijn om hogere alcoholen te produceren, maar zou ook haar
toepassing kunnen vinden als brandstof. De aanwezigheid van een kleine
hoeveelheid hogere alcoholen in de methanol zou bijvoorbeeld in een
methanol-benzine mengsel het apart toevoegen van een cosolvent overbodig
maken.
De
aanwezigheid van hogere alcoholen kunnen ook koude-start
problemen verhelpen bij het gebruik van "MlOO" . Samenwerking tussen
methanol producent en autofabrikant zou dus wellicht kunnen leiden tot een
specificatie voor een -goedkopere- fuel-grade methanol dan de huidige A-of
AA-grade.
In onderstaande tabel wordt voor elk type toepassing van methanol de meest
gunstige specificaties weergegeven.
tabel 5 t oeges
tan
e veron
tr
elmgmgen m eme th
" d
ano voor
I
d d"
e lverse mo oren.
tMotor
%
water
%
hogere alcoholen
MlOO
0.5 - 1
2
FFV
0,3
5
Dieselmotor
0.3
2
Gedissocieerde methanol motor
-
-Opgrond van de in de inleiding genoemde criteria kan nu een keuze worden
geformuleerd. Hieronder volgt een kort resumé van de voor- en nadelen van
de verschillende motoren naar aanleiding van de opgestelde criteria.
MlOO
voordelen:
nadelen:
FFV:
voordelen:
nadelen:
Diesel:
voordelen:
22
erg schoon, gunstig rendement,
koude start problemen, invoering
flexibel, minder last van koude start problemen, invoering op
korte termijn mogelijk
emissies iets groter, rendement iets lager dan MlOO
laagste emissies (geen roet), in bussen betrekkelijk makkelijk in
te voeren
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
nadelen:
Dissociatie:
voordelen:
nadelen:
laag rendement bij bussen en zwaar transport
hoger rendement
ontwikkeling in een pril stadium, dissociatie gedeelte is erg
moeilijk, alleen gunstig bij lage vermogensbelasting, zuivere
methanol nodig
Als 'de snelheid van invoering' het belangrijkste criterium is, biedt de FFV de
meeste perspectieven. Als het echter gaat om een methanol
te
kunnen
ontwikkelen die kan concurreren met benzine, heeft de MIOO de meest
progressieve brandstofspecificatie en daarom zal in het fabrieksontwerp deze
specificatie gehanteerd worden.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
24
DEEI
J
11
FABRIEKSONTWERP
VAN FUEL-GRADE
METHANOL
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
VI INLEIDING
FABRIEKSONTWERP
De opdracht voor het tweede gedeelte van dit fabrieksvoorontwerp is het het
bereiden van een grade methanol uit aardgas. De specificatie van de
fuel-grade is bepaald in het eerste gedeelte van de opdracht en wijkt in zoverre van
de A- en AA-grade af, dat zij maximaal 1 % water en 2% hogere alcoholen
mag bevatten.
In de meeste huidige methanolfabrieken wordt synthese gas bereid door middel
van stoomreformering. Hierdoor bevat het synthese gas voor de
methanol productie een overmaat waterstof. De energieconsumptie van dit
proces is als gevolg hiervan hoog (34-38 GJ/ton product)
DSM heeft een proces ontwikkeld waarbij het synthesegas bereid wordt via
katalytische partiële oxidatie met zuustof in plaats van via een
stoomreforming [39] . Het synthesegas bevat een ondermaat waterstof. Door
C02-correctie wordt de gewenste samenstelling van het synthesegas
verkregen. De energieconsumptie van dit proces bedraagt 28
à
29 GJ/ton [40].
Doordat een zuurstoffabriek benodigd is voor zuurstofscheiding uit lucht zijn
de investeringskosten van dit proces echter aanzienlijk hoger.
In
dit fabrieksvoorontwerp wordt de methanol bereid via een gecombineerd
proces. De reformingssectie bestaat uit zowel een stoomreformer als uit een
partiële oxidator. Hierdoor kan direct de gewenste verhouding van het
synthesegas bereid worden.
Een voordeel van het partiële oxidatie proces en het gecombineerde proces is,
dat zij een grotere productflexibiliteit hebben. Door gebruik van een
ondermaat waterstof in het synthese gas kan een een mengsel gemaakt worden
van methanol en hogere alcoholen, dat ter vervanging van lood als
oktaanverhoger in benzine wordt gebruikt [31,32,40].
Voor de simulatie van het gehele proces behalve de zuurstoffabriek en de
destillatiesectie is gebruik gemaakt van TISFLO, een simulatieprogramma
ontwikkeld door DSM. De ruwe vorm van het proces was hierin reeds
aanweZIg.
De werking van TISFLO is gebaseerd op het oplossen van een aantal
vergelijkingen met even zoveel onbekenden. In het besturingsprogramma van
TISFLO, MEDA, wordt elk apparaat als een een aparte module beschouwd,
die kunnen worden samengevoegd in een grotere module.
Er zal worden nagegaan of de in dit proces geproduceerde fuel-methanol
economisch bezien aantrekkelijk is ten opzichte van benzine.
Vanwege de uitgebreide literatuurstudie in het eerste gedeelte naar het gebruik
van methanol als autobrandstof zullen in dit tweede deel niet alle aspecten van
een "normaal" fabrieksvoorontwerp even sterk aan bod komen.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
VII UITGANGSPUNTEN VOOR HET
ONTWERP
VII.1 Exogene gegevens
VII.1.1 Capaciteit
De fabriek heeft een maximale capaciteit van 2284 ton per dag of 834 kton per
jaar bij continue productie en volledige bezettingsgraad. De te verwachten
capaciteit bedraagt, bij 8000 bedrijfsuren per jaar (en volledige
bezettingsgraad) 761 kton per jaar.
VII.I.2 Specificaties van grondstoffen, hulpstoffen en
product
grondstoffen:
aardgas:
- LHV
=
46.43 GJ/ton
bevat.
zuurstof:
belangrijkste
product:
methanol
(fuel-grade)
26
- er is uitgegaan van de volgende samenstelling van het
CRt
:88.5 mol%
C2~
