Альтернативное биодизельное топливо

АЛЬТЕРНАТИВНОЕ БИОДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО
Источниками тепловой и механической энергии являются первичные
энергетические ресурсы (ПЭР), которые условно подразделяются на
невозобновляемые ресурсы и возобновляемые.
Невозобновляемые:
– нефть;
– газовый конденсат;
– природные битумы;
– природный и нефтяной (попутный) газ;
– каменный уголь;
– горючие сланцы;
– торф.
Нефть является основным сырьем при производстве автомобильных
бензинов. Нефть была известна более 6000 лет назад. Ее собирали в низинах,
ямах, колодцах и использовали в качестве топлива. В России, начиная с 1745 г.
была организована переработка нефти для получения керосина, который
использовался в лампах для освещения помещений. Более легкий нефтепродукт
(бензин) при этом не использовался. И только с изобретением венгром Донатом
Банки в 1893 г. карбюратора стали создаваться мощные бензиновые двигатели.
Несколько позднее был построен дизельный двигатель, работающий на
более тяжелом дизельном топливе.
Возобновляемые:
- солнечная энергия;
- гидравлическая энергия стока рек, приливов и отливов океанских вод;
- энергия мирового океана в виде морских и океанских волн, течений,
приливов и отливов;
- теплота воды морей и океанов;
- геотермальная энергия;
- энергия ветра;
- энергия биомасс (сельскохозяйственных культур и их отходов,
древесины и других растительных материалов, твердых и жидких
бытовых отходов).
Величина возобновляемых энергетических ресурсов огромна, но на
данный момент в балансе мирового производства и потребления энергии ее
величина не превышает 2%, что объясняется рядом технических причин,
прежде всего низкой концентрацией энергии и неравномерностью ее
поступления. Кроме того, географическое размещение значительной части
ресурсов не способствует широкому их внедрению.
Виды топлив
Топливо – горючее вещество (основная часть которого – углерод и
водород), способное к выделению большого количества теплоты и
развивающее при этом высокую температуру, имеющее широкое
распространение в природе, добываемое легкодоступными и дешевыми
способами.
1
Моторные топлива делятся на нефтяные и альтернативные.
К нефтяным моторным топливам относятся топлива, полученные в
результате переработки нефти такие, как:
- бензины;
- керосины;
- дизельные топлива;
- тяжелые моторные топлива.
К альтернативным моторным топливам относятся:
- синтетические жидкие топлива (СЖТ);
- сжатый природный газ (СПГ);
- сжиженный нефтяной газ (СНГ);
- газовый конденсат;
- водород;
- биотопливо (биомасса).
Синтетические жидкие топлива получают из каменного угля и горючих
сланцев методами пиролиза, гидрогенизации или термического растворения.
Производство легких моторных топлив из твердого ископаемого сырья
сдерживается относительно высокой их себестоимостью по сравнению с
топливами, полученными из нефти. Переработку исходного сырья
осуществляют по двум принципиально разным направлениям: разложение и
синтез. В первом случае происходит разрушение исходных молекул и
выделение водорода. При этом снижение отношения С/Н можно обеспечить
как за счет вывода части углерода, так и за счет введения водорода со стороны.
В результате синтеза происходит химическое преобразование органической
массы сырья в жидкие топливные продукты.
Превращение твердых видов сырья в моторное топливо включает четыре
основные стадии:
- добыча исходного сырья;
- подготовка сырья к переработки;
- получение «синтетической нефти»;
- переработка «синтетической нефти» в целевой продукт.
Все процессы переработки угля можно разделить на три группы:
- пиролиз (полукоксование) с получением жидкой углеводородной
фракции и твердого остатка (кокса);
- прямое гидрогенизационное ожижение;
- газификация твердого топлива с последующей переработкой синтезгаза в жидкое топливо.
Пиролиз – разложение органического вещества угля путем его
нагревания в отсутствие воздуха и других окислителей. При разложении
происходит
перераспределение
водорода
между
образующимися
газообразными и жидкими продуктами и углеродистым твердым остатком
(коксом). В начале 1940-х годов пиролиз использовался в Германии для
получения моторных топлив.
Гидрогенизационная переработка угля – наиболее универсальный
метод прямого ожижения. Данный метод основан на воздействии водорода на
2
исходное сырье, нагретое до заданной температуры, под давлением. Впервые
этим методом воспользовались в Германии в период 1920-1940-х годов.
Газификация твердого топлива – это термический процесс, в ходе
которого органическая часть топлива в присутствии окислителей превращается
в смесь горючих газов, которые затем могут сжижаться. Полученный конденсат
используется для производства моторных топлив.
Газовое топливо. Применение газовых топлив в двигателях внутреннего
сгорания имеет давнюю историю. Теоретический цикл газового двигателя
описан С. Карно еще в 1721 г. Сто лет спустя Ленуаром был построен
двигатель, работавший на светильном газе. Двигатели Н. А. Отто, созданные
позднее, вначале также работали на газе. Последующее бурное развитие
нефтяной промышленности и изобретение карбюратора предопределило
перевод газовых двигателей на жидкое топливо. В последнее время
объективная необходимость, прежде всего экономии ресурсов нефти привела к
резкому росту числа автомобилей, работающих на газовых топливах.
Газовые топлива обладают такими достоинствами, как высокие
октановые числа, меньший, чем у бензина и дизельного топлива выброс
вредных веществ с отработанными газами, более высокий моторесурс
двигателя и т.п. Для их применения могут быть легко приспособлены серийные
бензиновые и дизельные двигатели. Газовые топлива могут быть в
компримированном (сжатом) или в сжиженном виде. Компримированный
природный газ хранят на борту автомобиля, как правила, в стальных
специальных баллонах под давлением до 20 МПа. В зависимости от величины
требуемого пробега до очередной заправки определяется количество
монтируемых на автомобиле баллонов, что значительно увеличивает его вес,
снижая грузоподъемность. Компримированный природный газ содержит до
98% метана. Теплота сгорания метана выше, чем бензина, и составляет 49,9
МДж/кг; октановое число метана 110 ед. по моторному методу. При
использовании сжатого газа в карбюраторных двигателях грузовых
автомобилей 1 м3 его равноценен примерно 1 л, а для легковых автомобилей –
1,2 л бензина.
Сжиженные газы получают в основном из попутного нефтяного газа и
частично из природного различными способами – низкотемпературной
конденсацией, абсорбцией и ректификацией. Получаемая широкая фракция
легких углеводородов состоит в основном из пропана и бутана.
В настоящее время у нас и за рубежом применяют в большей степени
сжиженные газы. Сжиженные газы хранят на борту транспортных средств в
цилиндрических сосудах под давлением 1,6 МПа.
Газовые конденсаты. Использование газовых конденсатов (ГК)
ограничено по следующим причинам: вредное влияние на центральную
нервную систему человека, снижение развиваемой двигателем мощности на
20%, повышение эффективного удельного расхода топлива.
Водород – в настоящее время рассматривается, как наиболее
перспективное топливо. Многими учеными разрабатывается концепция
водородной энергетики, согласно которой в перспективе возможен и
3
целесообразен переход от традиционных ископаемых энергоносителей к
водороду с широким применением ядерной и термоядерной энергии для его
производства. К преимуществам водорода относится практически
неограниченная ресурсная база, экологическая чистота, и возможность
использования в качестве моторного топлива без изменения существующих
конструкции двигателей.
Водород характеризуется высокими энергетическими показателями среди
химических топлив. Низшая теплота сгорания молекулярного водорода
составляет 120 МДж/кг.
С воздухом воспламенение водорода происходит в широком диапазоне
состава смеси: α = 0,2 до α = 10. Это позволяет изменять мощность,
развиваемую
водородным
двигателем,
с
помощью
качественного
регулирования, при котором уменьшаются внутренние потери в двигателе, а
его к.п.д. при частичных нагрузках увеличивается на 25 – 50%.
В настоящее время для подачи водорода в двигатель применяют
следующие способы:
- модифицированный карбюратор (по подобию систем питания пропанбутановыми и природными газами);
- моновпрыск во впускной трубопровод
- распределенный впрыск во впускной трубопровод;
- непосредственный впрыск в камеру сгорания.
Основной проблемой использования водородного топлива в настоящее
время является повышенная взрывоопасность, высокая себестоимость его
получения и хранение. Известны следующие варианты хранения водорода на
автомобиле:
- в газообразном состоянии (в сжатом виде);
- в криогенном состоянии (в сжиженном виде);
- с использованием промежуточного (твердого) носителя водорода.
В качестве твердых носителей применяют гидриды металлов и их
сплавов. Главным преимуществом этих металлов и сплавов является
относительно высокая энергетическая плотность водорода и безопасность при
хранении и эксплуатации. Процесс насыщения гидридных соединений
водородом и его извлечение для питания двигателей обратим. Обратимость
гидридных соединений позволяет на их основе изготавливать аккумуляторы
водорода.
В настоящее время население планеты начинает ощущать прелести
энергетического кризиса, который имеет глобальный характер. Учеными
мирового сообщества ведутся разработки по изысканию новых видов энергии и
новых
технологий
по
извлечению
и
использованию
энергии,
сконцентрированной в биологической массе, производимой природой с
участием и без участия человека.
К биотопливу относятся:
- этиловый спирт (этанол);
- метиловый спирт (метанол);
- биогаз;
4
- рапсовый метиловый эфир (RME);
- метило-эфировое рапсовое масло (МЭРМ);
- рапсовое масло (РМ);
Спирты. В качестве моторного топлива наибольшее распространение
получили этанол и метанол. Высокие антидетонационные свойства спиртов
определяют преимущественное их использование в двигателях с
принудительным (искровым) зажиганием. Чтобы обеспечить работу
автомобилей на чистых спиртах необходимо увеличить вместимость топливных
баков, увеличить степень сжатия двигателя до 12 – 14 ед. с целью полного
использования детонационной стойкости топлива и перерегулировать
карбюратор на более высокие расходы. Низкое давление насыщенных паров и
высокая теплота испарения спиртов делает практически невозможным запуск
двигателей с принудительным воспламенением при температурах
окружающего воздуха ниже 10оС. Для улучшения пусковых качеств двигателей
в спирты добавляют специальные присадки (изопентан и диметиловый эфир),
что обеспечивает их пуск до – 25оС. Кроме того, двигатели оборудуют
специальными подогревателями для подогрева топливо воздушной смеси.
Величина эффективного к.п.д. двигателя, работающего на спиртах, выше
бензинового (до 7%), что способствует снижению удельного расхода энергии
на единицу мощности.
Использование спиртов в дизелях затрудняется из-за низких цетановых
чисел, высокой температуре самовоспламенения и плохих смазывающих
свойствах, ведущих к повышению износа топливной аппаратуры. В тоже время
работа дизельных двигателей на спиртах возможна при использовании смеси
спиртов и дизельного топлива с повышенным цетановым числом, введении в
топливо активирующих присадок, подаче спиртов в испаренном виде, впрыске
форсункой запального дизельного топлива или его переоборудование в
двигатель с принудительным воспламенением.
При работе на спиртах содержание оксида азота в выхлопных газах
снижается на 25 – 30%, но наблюдаются повышенные выбросы несгоревших
паров спиртов, а также образовавшихся при сгорании формальдегидов,
ацетальдегидов и муравьиной кислоты.
В настоящее время этанол и метанол в основном используют в виде
добавки к бензинам. В нашей стране разработано две марки бензинометанольной смеси: летняя – 5% метанола (смесь М5) и зимняя 15% метанола
(смесь М15) плюс 7% стабилизатора. Главным недостатком метанола является
пониженная теплота сгорания, снижение на 20% номинальной мощности,
высокая токсичность (ЯД!). В США практическое применение получили смеси
10…20% этанола с бензинами, получившие название «Газохол».
Топливо из биомассы. Биомасса является возобновляемым ресурсом, а
переработка продукции сельскохозяйственного производства, отходов лесных
ресурсов, животноводства и жизнедеятельности человека способствует охране
окружающей среды от загрязнений. Растительная биомасса представляет собой
сложную смесь различных соединений. Биомасса содержит 5 – 40%
водорастворимых соединений (сахар, крахмал, мочевина, соли), 5 - 40%
5
протеинов, 25 – 90% целлюлозы и гемицеллюлозы, 5 – 30% лигнина, 1 – 13%
нерастворимых примесей (золы). Сырая биомасса отличается высокой
влажностью (30 – 90%). Теплота сгорания даже сухой биомассы находится на
относительно низком уровне – 16 – 24 кДж/кг. Превращение биомассы в
топлива, пригодные для работы в двигателях внутреннего сгорания,
осуществляется термохимическими или биологическими процессами.
Термохимические процессы переработки основаны на прямом сжигании,
пиролизе, газификации и экстракции масел, биологические – ферментации и
анаэробном разложении биомассы. В процессе переработки биомассы в
топливо наибольший интерес представляют газификация с получением синтезгаза (преобразуемого затем в метанол или углеводороды) и экстракция масел
(рапсовое, подсолнечное, хлопковое и т. п.), а также ферментация с получением
этанола.
Газификация ?
Экстракция ?
Ферментация (сбраживание) биомассы известна давно и получила во
всем мире большое распространение. Она основана на способности
микроорганизмов, прежде всего дрожжей, расщеплять простые сахара в
отсутствие кислорода до этанола и двуокиси углерода. С помощью гидролиза с
использованием специальных микроорганизмов удается перевести в сахара
целлюлозу, гемицеллюлозу и частично лигнин.
Сельскохозяйственные и органические отходы бытовые отходы можно
подвергать анаэробной ферментации с получением биогаза с высоким
содержанием метана. В сжатом или сжиженном виде этот газ может
использоваться в качестве моторного или котельного топлива.
Во многих странах, в последнее время, изучается возможность
использования растительных масел в качестве топлив для дизельных
двигателей, а также прослеживается тенденция постепенного превращения
сельского хозяйства из крупного потребителя топливных ресурсов в
эффективного их производителя.
Масла растительного происхождения отличаются от дизельных топлив
высокой вязкостью, плотностью, высоким содержанием кислорода и некоторым
снижением теплоты сгорания топлива (табл. 1).
Таблица 1. Физические показатели растительных масел
Масло
Показатели
Плотность, кг/м
Вязкость (37,8), мм2/с
Теплота сгорания, мДж/л
3
подсолнечное
рапсовое
льняное
925
35
36,4
922
37
36,9
932
29
37,0
В последнее время большой интерес представляет применение в качестве
моторного топлива для дизельных двигателей растительных масел. Масла
представляют собой окисленные углеводороды, в основном триглицериды,
близкие по теплоте сгорания к дизельному топливу. Масла выделяют из
6
масличных культур путем выжимки и экстрагирования (трихлорэтиленом или
гексаном).
В качестве биотоплива обычно используют рапсовое масло, как наиболее
перспективное альтернативное топливо для ДВС. С семян рапса (технические
сорта с высоким содержанием эруковой кислоты 40-60%) можно получить до
42% масла. Из семян рапса (в среднем 3 т), полученных с 1 га посевов
извлекают 1 т масла. Рапсовое масло имеет повышенную температуру кипения
и кинематическую вязкость, что ведет к увеличению среднего диаметра капель
впрыскиваемого топлива, к снижению угла раскрытия струи топлива и
частичной конденсации топлива на стенках цилиндра и днища поршня.
Работа серийных или частично модернизированных дизельных
двигателей на чистом рапсовом масле сопровождается следующими
неблагоприятными факторами:
- обильным нагарообразованием в районе сопловых отверстий форсунок
и их закоксовыванием;
- обильным нагарообразованием в камере сгорания и в выхлопном
тракте (турбине);
- выбросом части несгоревшего рапсового масла через выхлопную
трубу в атмосферу;
- попаданием части несгоревшего рапсового масла в моторное масло,
находящееся в поддоне двигателе;
- образованием в системе смазки двигателя твердых резиноподобных
соединений, которые способны забивать каналы системы смазки и
выводить двигатель из строя.
Ниже приведена зависимость кинематической вязкости РМ и дизельного
топлива (ДТ) от их температуры (табл. 2).
Таблица 2. Зависимость вязкости РМ и ДТ от температуры
Температура РМ и ДТ, оС
20
40
50
60
70
90
98
2
Вязкость РМ, мм /с
88,62 40,47 29,59 21,92 17,51 11,01 9,65
2
Вязкость ДТ, мм /с
3,86
2,11
1,7
Несгоревшее топливо через зазоры в поршневых кольцах попадает в
картер, где смешивается со смазочным маслом. При смешивании РМ с маслом
двигателя происходит его разжижение и образование в картере резинообразной
субстанции, что может привести к выходу дизеля из строя. В то же время
рапсовое масло в чистом виде, как топливо, оказывает менее негативное
влияние на надежность работы предкамерного и вихрекамерного двигателя,
чем на двигатель с непосредственным впрыском. На основании ряда
экспериментальных исследований, публикованных в различных организациях,
можно сделать вывод, что РМ в чистом виде может применяться, как
биотопливо только в двигателях, которые специально рассчитаны и
сконструированы для работы на этом виде топлива. В конструкции таких
двигателей необходимо предусмотреть:
- систему подогрева топлива от заборной трубки топливного бака до
распылителя включительно;
7
- специальную конструкцию поршня и поршневых колец, исключающих
попадание рапсового масла в поддон двигателя;
- измененную систему вентиляции картера двигателя;
- эффективную систему очистки моторного масла;
- разработку (использование) новой марки моторного масла, которое
специально разработано для данных условий эксплуатации;
- специальную систему очистки рапсового масла перед его подачей
форсункой в двигатель;
- меры по повышению надежности работы двигателя на рапсовом масле;
- изменение конструкции камеры сгорания с целью улучшения процесса
смесеобразования.
Такой дизельный двигатель был сконструирован немецким инженером
Людвигом Эльсбетт и установлен фирмой «Фольксваген» на автомобиль
«Гольф». Установка дизеля позволила снизить расход топлива на сто
километров пути с 4,5 до 3,5 литров и уменьшить токсичность отработавших
газов.
Государственный комитет по науке и технике СССР в 1988 году
финансировал приобретение лицензии на производство и продажу дизелей с
непосредственным впрыском конструкции Эльсбетт. Развал Союза и
отсутствие финансирования не позволили осуществить идею создания
отечественных дизелей, работающих на растительных маслах.
Обычно рапсовое масло применяют в смеси с дизельным топливом или
после их переработки в метиловые и этиловые эфиры. Следует отметить, что
использование смесей РМ с дизельным топливом ограничено из-за
повышенной вязкости и коксуемости данной смеси.
В большинстве стран в настоящее время в качестве биотоплива
применяют метиловые эфиры жирных кислот рапсового масла (МЭРМ). Для
получения МЭРМ используют очищенное рапсовое масло (рафинированное и
отбеленное), которое подвергается прямой переэтерификации с метиловым
спиртом в присутствии катализатора (едкого калия). Полученное таким образом
биотопливо в России и Украине получило название – биодизель, во Франции –
diester, Германии – RME (рапсометиловые эстеры), Польше – бiнафта,
бiопаливо.
Физические показатели РМ, ДТ и МЭРМ, характеризующие качество
топлива приведены в таблице 3.
Таблица 3. Физические показатели РМ, ДТ и МЭРМ
№
п/п
1
2
3
4
5
Показатель
РМ
МЭРМ
ДТ (Л)
Плотность при 20оС, кг/м3
Низшая теплота сгорания, МДж/кг
Температура вспышки в закрытом тигле, оС
Температура застывания, оС
Кинематическая вязкость, сСт при 20оС
916
40,02
198
88,6
877
37,7
-8
8,0
860
42,5
50
-10
3,83
8
6
7
8
9
10
11
Кислотность, мг КОН/г
Зольность, %
Содержание механических примесей, %
Содержание водорастворимых кислот и
щелочей, %
Содержание серы, % не более
Цетановое число
0,08
0,024
0,13
0,5
0,02
-
отсутствуют
отсутству
ют
-
-
0,02
48
0,5
45
отсутству
ет
-
0,06
0,01
Экспериментально установлено, предкамерные дизели при работе на
растительных маслах и их производных имеют лучшие характеристики и в
меньшей степени подвержены нагарообразованию по сравнению с двигателями,
у которых камера сгорания размещена в поршне.
9