O как топливная присадка

 

Во многих промышленно развитых странах приняты программы по использованию альтернативных (лат. alter — другой, один из двух) видов топлива, в частности, при­менения этанола и биодизеля, что позволяет уменьшить содержание токсичных веществ в отработавших газах. При этом не нарушается «парниковый» баланс, так как в атмосферу выбрасывается тот углекислый газ, который был взят из воздуха в ближайшем прошлом, а не акку­мулировался в нефтепродуктах несколько миллионов лет назад. В то же время, хотя биотопливо является возоб­новляемым источником энергии, побочные продукты его производства (глицерин) также находят широкое приме­нение. Однако следует отметить, что биотопливо необя­зательно дешевле обыкновенного топлива, полученного из нефти или нефтепродуктов, а чаще — даже наоборот.

Наиболее распространенный вид биотоплива — био­этанол (этиловый спирт), получаемый путем перегонки любой субстанции, содержащей крахмал (картофель), са­хар (сахарная свекла, сахарный тростник) или целлюлозу (древесина, щепа, солома, хлопковая шелуха и т. п.). Чаще всего для перегонки используют масличное растение рапс (рис. 34), а также зерновые культуры: рис, кукурузу, пше­ницу, рожь.

Существует два способа получения этанола: микробио­логический (спиртовое брожение под действием дрожжей

 

Рис. 34. Схема получения биоэтанола из рапсового масла

ферментов или бактерий) и синтетический (гидратация этилена, полученного при добыче нефти в присутствии катализатора).

 

Этанол в большинстве случаев является своего рода присадкой к бензину. При этом смеси этанола и бензина маркируются букой Е (ethanol) и числом, указывающим его процентную долю в топливе. Наиболее распростране­ны марки Е5, Е7 и ЕЮ — для их использования передел­ка бензинного двигателя не требуется. А вот марки Е85, Е95 и Е96 с содержанием этанола соответственно 85, 95 и 96% требуют специальной модификации системы пита­ния и зажигания автомобиля.

В качестве сырья для производства биодизеля ис­пользуют различные жиры растительного или животного происхождения. Чтобы превратиться в биодизель, жиры подвергаются процессу этерификации, в ходе которого превращаются в эфиры жирных кислот. В качестве со­путствующего продукта получается глицерин (рис. 35). Смесь этих эфиров и называют биодизелем.

В качестве добавки к биодизелю может применяться и чистое дизельное топливо в концентрации не более 20%. Физико-химические свойства различных смесей дизельно­го топлива (ДТ), чистого рапосового масла (РП) и его про

Рис. 35. Формула получения биоэтанола из рапсового масла

изводных в виде метилового (МЭРМ) и этилового (ЭЭРМ) эфиров представлены в табл. 36.

 

Наиболее распространенным сырьем для производст­ва биодизеля служат различные сельскохозяйственные масличные культуры: рапс, соя, подсолнечник, ятрофа, кокос и т. д. Наибольшее распространение получил рапс — неприхотливое растение семейства крестоцветных, кото­рое хорошо произрастает в умеренном климате, имея продуктивность 1,2 тыс. л масла с гектара (для сравне­ния, с подсолнечника можно получить около 0,95 тыс. л). Эффективность переработки кокоса и ятрофы значитель­но выше, чем рапса, но их производство ограничено странами с тропическим климатом. При этом следует от­метить, что:

применение чистого рапсового масла и его произ­
водной в виде метилового эфира (МЭРП) в качестве до­
бавки к дизтопливу в концентрации до 20% не требует
дополнительной регулировки дизеля и не приводит к
снижению его мощности и экономичности;

использование 20% рапсового масла в дизтопливе
позволяет уменьшить дымность выхлопа до 40%, выбро­
сы углеводородов — на 25—36%, а оксида азота — до
3,8-10,0%.

В последнее время установлено, что самым перспек­тивным объектом для производства биодизеля должны стать водоросли. Продуктивность водорослей может до­стигать фантастических 95 тыс. л. масла с одного гектара

Физико-химические свойства смесей дизельного топлива (ДТ), рапсового масла (РП) и его производных: метилового (МЭРМ) и этилового (ЭЭРМ) эфиров

Таблица 36

Свойство	Смесь дизельного топлива и производных рапсового масла
100 %ДТ	70% ДТ, 30% РМ	50% ДТ, 50% РМ	30% ДТ, 70% РМ	100% РМ	МЭРМ	ЭЭРМ
Плотность, кг/м3, при 20 °С
Кинематическая вязкость, мм2/с, при 20 °С	3,8	9,3	16,9
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	42,5	40,9	39,9	38,9	37,3	37,8	36,8
Цетановое число							-
Температура самовоспламенения, °С		-	-	-			-
Стехиометрическое соотношение воздуха и топлива	14,3:1	13,8:1	13,4:1	13,0:1	12,5:1	12,6:1	12,6:1
Содержание, % (массовая доля): углерод водород кислород	87,0 12,6 0,4	84,0 12,4 3,6	82,0 12,3 5,7	80,0 12,2 7,8	77,0 12,0 11,0	77,5 12,0 10,5	77,6 12,0 10,4
Содержание серы, % по мабсе	0,20	0,14	0,1	0,06	0,002	0,002	-
Коксуемость 10% остатка, % масс.	0,2	-	-	-	0,4	0,3	0,3
Удельное содержание углерода (по Ни), г/МДж	20,5	20,5	20,6	20,6	20,6	20,5	20,5

 

водной поверхности. В США, Канаде, ЮАР, Новой Зе­ландии и Испании уже начато строительство заводов по производству биодизеля из водорослей.

Для применения биодизеля модернизация двигателя не требуется, но существует ряд ограничений. При отри­цательных температурах необходим дополнительный по­догрев топлива или применение специальных депрессор-ных присадок.

Применение в качестве биодизеля чистого раститель­ного масла, как и его кустарное производство, практиче­ски невозможно, так как требуется строгое соблюдение промышленной технологии (рис. 36). Для этерификации используется ядовитый и опасный метиловый спирт. Кроме того, необходима очистка получаемого промежу­точного продукта от образующихся жирных кислот, так как они приводят к омылению и засорению топливных фильтров и образованию нагара в цилиндрах двигателя. Также требуется удаление остатков влаги, которая может приводить не только к повышению водородного изнаши­вания и коррозии деталей двигателя, но и к интенсивно­му размножению микроорганизмов и резкому снижению качества биодизеля

Рис. 36. Схема получения биодизеля из рапса: 1-6 — топлива с разным содержанием биодизеля в качестве добавки

 

Биодизель можно применять и в чистом виде, но чаще всего он является своего рода присадкой к классической нефтяной солярке. Так, в штате Миннесота (США) при­нят закон, обязывающий применять 2% биодизеля во всем продаваемом дизельном топливе. В Канаде к 2012 году 2% биодизеля должно входить в состав всего автомобиль­ного и печного топлива. В Японии уже с марта 2007 года введено пятипроцентное содержание биодизеля в дизель­ном автомобильном топливе. В Южной Корее уже с 2006 го­да доля биодизеля от общего потребления дизельного топлива составляет 0,5%, а через два года планируется довести его содержание до 5%.

В Европейском союзе к 2010 году доля биотоплива (этанол и биодизель) должна составлять не менее 5,75%. В Германии в 2007 году его доля равнялась 5%. Во Фран­ции к 2010 году она должна составить 7%, а в Португа­лии — 10%.

Соответствующие программы по производству био­топлива приняты также в Австралии, Бразилии, Китае, Индии, Индонезии, на Тайване и в других странах. В России, несмотря на достаточные запасы традицион­ных видов топлива, начато строительство двух заводов: в Омской области — по производству биоэтанола, в Та­тарстане — по переработке рапса.

В заключение следует сказать несколько слов о твер­дых топливах.

Замена углерода химическими элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место отводится разработкам металлического то­плива, которое широко применяется в ракетных двигате­лях. Исследования, проведенные в США, показали, что автомобиль с мотором, работающим на топливе с метал­лическими наночастицами, может развивать мощность, в три раза большую, чем современный бензиновый дви­гатель.

По мнению исследователей группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа (США), металлическое топливо (подобно водороду) является источником экологически чистой энергии. Однако металлическое то­пливо, состоящее, например, из железа или алюминия, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Та­кое топливо можно хранить и транспортировать при тем­пературе и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на во­дородные топливные элементы.

Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой происходит воспламенение металлического пара с образованием металлических оксидов. В то же вре­мя этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно бы­стрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.

Газы от металлического топлива, отработавшие в газо­турбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, и в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его нано-частицы можно было получать по разумной стоимости. Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг) почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг).

В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточ-ных двигателей содержится до 50% бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максималь­но объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.

 

 

O ПРЕПАРАТЫ