Отдел продаж
8 (499) 755-89-57
Лодки, запчасти
8 (499) 755-89-57

Доработать мотор под биоэтанол


В чём плюсы и минусы биоэтанола — ДРАЙВ

В последнее время в мировой прессе всё чаще публикуются сообщения об опасности и даже вредности массового перевода автомобилей на биоэтанол. Одно авторитетное мнение очень скоро оспаривается другим, не менее авторитетным. Критика настолько жёсткая, что поневоле вызывает недоумение. Как такое может быть: ведущие страны принимают энергетические стратегии, которые, если верить скептикам, совершенно бездумны и являются кратчайшим путём к масштабным экологическим и экономическим катастрофам? Где правда? Попробуем разобраться.

Противники сжигания этанола в двигателях внутреннего сгорания приводят убедительные доводы. Они не опровергают факта, что при использовании этилового спирта выхлоп автомобилей становится намного чище. Это действительно так. Главная же беда — в самом производстве этого вида топлива, когда в атмосферу выбрасываются огромные количества углекислого газа. А значит, вся экологическая эффективность использования спиртосодержащих смесей сводится на нет. И бравые лозунги о борьбе с глобальным потеплением, об изменении климата не только теряют свою актуальность, но даже смешны.

Вообще говоря, этиловый спирт можно получать из любых растений, лишь бы там в достаточном количестве содержались сахар и крахмал. Картофель, ячмень, пшеница, свёкла — всё подходит. Но лучший вариант — сахарный тростник. Можно также перерабатывать различные отходы, например древесные опилки, но пока что это экономически невыгодно. А потенциально рентабельные методы находятся в стадии разработки.

Правы они? И да и нет. Производство этанола действительно насыщает атмосферу парниковыми газами (ещё они называются GHG — от greenhouse gas) в количествах, сопоставимых с выбросами бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Но у всякой монеты есть и обратная сторона. Дело в том, что в процессе производства и сжигания 1 литра этанола из растительного сырья в атмосферу попадает ровно столько же CO2, сколько до этого было поглощено теми же самыми растениями в результате реакции фотосинтеза. По сути производство этилового спирта есть не что иное, как «фотосинтез наоборот», с той лишь разницей, что в одном случае требуется солнечный свет, а в другом — выделяется тепло.

Когда биоэтанол получит глобальное распространение, а всё к этому и идёт, то «с банкой чистого спирта» можно будет не только ходить в гости, но и помогать тем несчастным на дороге, у которых совсем опустел бак. Если вас смущает цвет, то помните, что в отличие от пищевого топливный спирт не подвергается чересчур уж тщательной обработке.

Получается, биоэтанол абсолютно нейтрален в качестве источника парниковых газов. Значит — лучше от него не станет, но и хуже не будет, в отличие от продуктов переработки нефти. Есть у этилового спирта и ещё одно преимущество: положительный энергетический баланс. В зависимости от вида сырья последний может колебаться от 1,24 до 8. То есть при сжигании этанола выделяется в несколько раз больше энергии, чем затрачивается при его производстве. В этом смысле «скандальное топливо» на порядок превосходит бензин или солярку. Только вообразите себе расходы на разведку, добычу, транспортировку, переработку нефти, и вы поймёте, что топливный баланс нефтяных продуктов значительно меньше единицы.

Сам процесс заправки этанолом не содержит в себе ничего особенного — всё ровно так же, как и в случае с бензином. Однако сеть таких заправок сегодня ещё только развивается. Например, в США точек, где продают E85, сегодня насчитывается примерно полторы тысячи.

Но и без недостатков у C2H5OH не обходится. При сгорании 1 литра этилового спирта выделяется на 34% меньше энергии, чем при сгорании того же объёма бензина. Выходит, что если заправлять автомобиль топливом с содержанием этанола (к примеру, широко пропагандируемой смесью с бензином E85), то расход топлива неизбежно возрастёт вплоть до этих самых 34% — всё будет зависеть от концентрации спирта в каждом конкретном случае. Но с этой печальной картиной столкнутся лишь владельцы машин с двигателями, изначально рассчитанными на традиционный бензин и лишь затем адаптированными под новомодное топливо.

Из примерно тысячи европейских этанольных заправок почти 800 находятся в Швеции. Эта страна планирует лет через 20 вообще отказаться от нефти. Скандинавы уповают на гибриды, потребляющие этанол. На этой фотографии люди из Scania представляют новейший городской автобус.

Нельзя забывать, что октановое число этанола равно 105. Это означает, что его можно сжигать в двигателях с куда большей степенью сжатия. Так что, в принципе, двигатели, рассчитанные исключительно на новый источник энергии, должны быть уж никак не хуже нынешних бензиновых или дизельных собратьев. И в плане экономичности, и в плане мощностных характеристик. А уж про экологию и говорить не приходится! Примерно на 80% уменьшаются выбросы углеродных соединений, а конкретно CO2 снижаются на 30%. Но заливать в такие машины бензин категорически нельзя — детонация мигом убьёт технологичный мотор.

Вот так выглядит стандартный завод по производству биоэтанола. Отличие от классических спиртовых заводов только в масштабах производства и количестве ректификационных колонн. Получают «зелёное» топливо, что называется, не отходя от кассы, прямо в поле. Это связано с тем, что транспортировка сырья серьёзно увеличивает себестоимость.

В этом смысле весьма пессимистично выглядят перспективы так называемых многотопливных (чаще всего битопливных) автомобилей. Они могут называться Flex Fuel, Flexifuel, BioFlex, Tri-Flex и как угодно ещё — всё зависит от фантазии фирм-производителей. Про такие разработки мы писали уже не раз и не два. Причём если некоторые носят статус концептов, то другие — вполне себе серийные машинки. Но у всех этих автомобилей есть один противный недостаток — этанол там сжигается неэффективно, ведь степень сжатия нельзя изменить, просто нажав кнопку на панели.

Не секрет, что наиболее дешёвым способом транспортировки жидких топлив является закачка их в трубопровод. Но в случае с этанолом появляется проблема. Он гигроскопичен, то есть впитывает из атмосферы воду и, следовательно, обладает повышенной коррозионной агрессивностью. Поэтому пока что топливный спирт перевозят автотранспортом или по железной дороге.

Получается забавная ситуация: на бензине Flexifuel-машина едет хорошо, а на E85 (если кто забыл, это коктейль из 85% этанола и 15% бензина), во-первых, плохо, а во-вторых, «жрёт» ощутимо больше. Да, биоэтанол дешевле бензина, но не намного. Зря вы думаете, что с этим топливом сэкономите сколько-нибудь значимую сумму. Может даже случиться и так, что будут одни убытки. Смотря как ездить — на одной лишь «зелёной» ориентации недалеко окажешься. Поэтому не удивляйтесь, что внедрение, казалось бы, перспективной идеи сопровождается законодательным регулированием, например в США и Бразилии.

Не стоит думать, что при заправке биоэтанолом машина наотрез отказывается ехать, подобно водородным аналогам. По сравнению с бензином E85 действительно обладает меньшей энергетической ценностью, но для её сгорания требуется меньше кислорода, поэтому в цилиндры можно впрыскивать большие количества топлива. В итоге мощность падает, но не настолько, чтобы водители приходили в ярость.

Стоит тормознуть и поговорить подробнее, ибо в этих странах внедрение биоэтанола зашло очень далеко. Бразильцы очень не любят топливные кризисы c 1973 года. И всячески стараются их предотвратить. Так, с 1975-го в стране функционирует масштабная биотопливная кампания. Не стоит поэтому удивляться, что 4,5% площади Бразилии заняты плантациями сахарного тростника, а большинство местных автомобилей можно с чистой совестью причислить к заядлым алкоголикам. За год миллион бразильских рабочих производит двадцать с лишним миллиардов (!) литров этанола.

В Бразилии существует целая отрасль по выращиванию сахарного тростника, со своими традициями и правилами. При производстве широко используется дешёвый ручной труд, что приносит сумасшедшие доходы местным «сахарным королям». Иностранцы спят и видят, как бы принять участие в этанольном буме, но местные бизнесмены наотрез отказываются продавать свои предприятия. А если и соглашаются, то заламывают поистине космические цены. Стоит заметить, что правительство их полностью поддерживает.

Назвать экономику этой страны зависимой от нефти никак нельзя. Выращивая и перерабатывая сахарный тростник, Бразилия полностью обеспечивает себя топливом и электричеством. Всё это безусловно радует, но даже в бочке спирта нашлось место вездесущему дёгтю. Ради новых плантаций бразильцы вырубают леса Амазонки. Можно назвать это странной и недальновидной политикой, а если сказать прямо — то это настоящий идиотизм. Как жить без «лёгких планеты»?

Сахарный тростник в Бразилии выращивают тысячи частных хозяйств. И это порождает некоторые проблемы. Ведь из тростника и сахар делают. Поэтому когда в 1980-х годах резко выросли цены на сахар, производство этанола сократилось до такой степени, что людям стало элементарно нечем заправлять свои машины. Сейчас правительство регулирует ситуацию и даже вложило в 2007 году 25 миллионов долларов в развитие новых технологий. В США же эта сумма равняется $385 миллионам.

Похожая ситуация складывается и в США. Президент Буш выдвинул программу «20 за 10», которая должна помочь к 2017 году снизить потребление бензина на 20%. За счёт чего? Разумеется, за счёт этанола. К озвученному сроку власти намерены увеличить его производство до 30 с лишним миллиардов литров. За последние годы инвестиции только в исследования перевалили за 12 миллиардов долларов. И это только начало.

В Америке производят этанола хоть и много, но всё-таки чуть меньше, чем в Бразилии. Правда, делают его не из тростника (он в Штатах расти не хочет), а из кукурузы. Такой вариант менее эффективен, а стало быть, себестоимость американского эталона выше бразильского. Тем не менее программу активно продвигают власти многих штатов, и губернатор «кукурузного» Иллинойса, кандидат в президенты Барак Обама (Barack Obama), — не исключение. Принимаются новые требования к бензиновому топливу, которое должно содержать 10% этанола (такая пропорция безопасна для традиционных двигателей).

Чтобы машину можно было заправлять топливом, содержащим более 10% этанола, необходимы некоторые переделки. «Мозг» мотора должен научиться определять концентрацию спирта и подбирать соответствующие режимы работы. Поскольку спирт содержит воду, модернизации требует и топливная магистраль. Кроме того, если автомобиль эксплуатируется в холодных условиях, надо подогревать топливо перед запуском.

Достигнут ли американцы своих целей? Каково будущее всей этой затеи с биоэтанолом? Пока что всё туманно. Ясно одно — рассчитывать на тотальный переход к спиртовым двигателям нереально. Если предположить стопроцентную эффективность процесса переработки, то для того, чтобы только США перевести с нефти на этанол, нужно 75% сельскохозяйственных земель нашей планеты засеять соответствующими культурами. Грубо говоря, если даже всю Луну засадить тростником, этого окажется недостаточно.

Массовое культивирование культур для производства этанола неизбежно окажет значительное влияние на сельское хозяйство. Фермеры не дураки — раз спрос на кукурузу растёт, они будут её сеять везде, где смогут. А кто при этом подумает о миллионах голодающих жителей Земли? Поэтому многие исследователи и негодуют, утверждая, что «выращивать» биотопливо в то время, когда людям есть нечего, — низкое, подлое и вообще аморальное занятие.

Этанольный вопрос неизбежно связан с большой политикой. На фотографии справа вы видите, как президент США Джордж Буш и президент Бразилии Луис Инасиу Лула да Силва (Luiz Inacio Lula da Silva ) радуются окончанию очередного раунда трудных переговоров. Поэтому не удивляйтесь, если в будущем мы столкнёмся самыми разными пиар-кампаниями, прямо противоречащими друг другу.

Впрочем, к любой критике надо относиться со здоровой долей скептицизма. Сами по себе биотопливные программы вполне разумны и при грамотной реализации способны принести ощутимую пользу. Стоит только иметь в виду, что повсеместное внедрение этанола окажет ощутимое влияние на мировую экономику. И, разумеется, найдутся те, чьи интересы пострадают. Пример: так называемый саммит «табачных королей» 1988 года, где боссы крупнейших компаний обсуждали, как бы нейтрализовать политику ВОЗ по борьбе с курением. И есть ли гарантия, что подобные действия не предпринимают сейчас все те, кто почувствовал угрозу нефтяному бизнесу? Всё-таки, как ни крути, а внедрение биотоплива — это вопрос не столько научный и экономический. Здесь вступает в дело большая политика.

www.drive.ru

Биотопливо и двигатель - друзья или враги?

Александр [streetcartest1]

В двадцать первом веке человечество, как никогда, обеспокоенно поисками альтернативных источников энергии. Традиционные, такие как нефть, газ и уголь, имеют ограниченный запас, да и не всегда соответствуют нормам экологии. Необходимо новое вещество или процесс, который будет создавать тепло в наших домах и перемещать автомобили, поезда и самолеты.

Биотопливо является одним из таких альтернативных источников. Производится оно из растений или органических отходов.

У меня автомобиль с большим мотором и большим расходом. Поэтому я изучал этот вопрос применительно к моторам. Для ДВС существует несколько разновидностей биотоплива:

  • биоэтанол — это спирт;
  • биометан — газ;
  • биодизель.
Любое из них обладает своими положительными и отрицательными сторонами. В некоторых странах многие автомобилисты уже давно подмешивают биотопливо в обычный бензин или дизель.

Что можно считать преимуществами?

Рассмотрим простые и понятные показатели.

  • Экологичность. Пожалуй, самое важное преимущество. Биотопливо практически не загрязняет окружающую среду вредными продуктами сгорания. Хотя многие простые водители мало обращают на это внимания.
  • Цена. Этот фактор для большинства будет стоять на первом месте. Стоимость биотоплива ощутимо ниже стоимости традиционного бензина и дизтоплива.
  • Загрязнение двигателя. Биотопливо сгорает очень чисто, практически не образуя нагара и сажи.

К отрицательным показателям принято относить:

  • Неразвитая сеть заправочных станций, где предлагается биотопливо.
  • Для перехода на чистое биотопливо потребуется переделывать всю топливную систему автомобиля. Без переделок допускается только подмешивание в соотношении 1 к 10.
  • Повышенный расход топлива. Для меня лично это самый главный недостаток. Несмотря на более низкую цену, сэкономить у меня не получилось. Есть мнение, что на некоторых автомобилях повышение расхода незначительное, и тогда удается сэкономить.

Как и из чего добывают биотопливо

Наиболее распространенным и применяемым в автомобилях, наверное, считается биоэтанол. Это обычный спирт этанол, получаемый в процессе разложения и перегонки различных сельхоз культур. Наиболее распространенными растениями для этого являются сахарный тростник и кукуруза. Реже на перегонку идут: зерно, сахарная свекла и картофель. Главное, чтобы количество крахмала и сахара было максимальным.

Биоэтанол подмешивают к бензину в количестве до 10% от общего объема. Это практически мировой стандарт. Такая пропорция не требует вмешательства в топливную систему автомобиля. Когда биоэтанола больше 10%, необходимо переделывать всю систему питания. Встречаются автомобили с гибридной системой питания, в них можно заливать как бензин, так и чистый биоэтанол.

Не менее популярным является биодизель. Это тоже продукт переработки культурных сельскохозяйственных растений. В отличии от биоэтанола, на его производство идут не крахмалистые, а растения с высоким содержанием масла, например, рапс, подсолнух или соя. Производство биодизеля намного сложнее, чем перегонка биоэтанола. Порядок производства биодизеля примерно такой:

  • выращивание необходимой культуры;
  • сбор урожая и перегонка его на масло;
  • этерификация масла при помощи метанола и нагрева до 60 градусов.

Так как процесс этерификации обратимый, хранится биодизель около 3х месяцев. После этого начинается процесс разложения и он теряет свои свойства.

Биодизель тоже смешивают с обычным ДТ в определенных пропорциях. Для применения такого топлива никаких переделок не нужно. Альтернативное топливо для автомобиля — это экологично, но его энергоэффективность ниже, по сравнению с традиционными вариантами. Соответственно, мощность двигателя снижается, а расход топлива наоборот — увеличивается.

Наименее распространен такой вид биотоплива, как биометан. Это газ, получаемый из отходов растений. В процессе нагрева и прессования отходов выделяется биометан и углекислый газ. Для дальнейшего применения углекислый газ нужно удалить.

Этот вид биотоплива, скорее, имеет экспериментальное значение. Говорить о какой-то массовости в производстве и применении не стоит.

Таким же экспериментальным видом можно назвать топливо, получаемое из водорослей. Эта разработка — одна из самых современных, на данный момент находится в начальной стадии и до полномасштабного внедрения еще далеко. Уже сейчас можно сказать, что основным преимуществом будет возможность выращивания водорослей в водоемах и на участках земли, не предназначенных для земледелия. Уход за ними минимальный, а количество топлива, получаемого из них после переработки, максимальное, по сравнению с другими растениями.

Последствия применения биотоплива

Когда применяется биоэтанол, даже в небольшой концентрации, происходит очищение камер сгорания, клапанов и всей топливной системы. Это возможно благодаря спиртам, содержащимся в составе биотоплива. Спирты растворяют сажу и нагар и, в дальнейшем, препятствуют их образованию.

Вот только вопрос — куда уйдет эта сажа и нагар на начальном этапе применения биотоплива? В моторное масло. Если вовремя его не сменить, возможны негативные последствия для ДВС, вплоть до капитального ремонта. В дальнейшем будет заметна незначительная экономия на чистке мотора и топливной системы.

При переходе на биотопливо настоятельно рекомендуется промыть всю топливную систему. Спирт растворит все отложения на стенках бака, и весь этот мусор пойдет прямо в двигатель. Предварительная чистка не помешает и мотору. Перед переходом на биотопливо можно промыть двигатель во время замены масла.

Итоги моих экспериментов

Применительно к своему автомобилю, я не нашел выгоды в использовании биотоплива. Кроме поддержания чистоты камер сгорания и топливной системы, других положительных моментов не получил. Расход стал выше, тяга мотора ниже, стоимость пробега в 100 километров практически не изменилась.

В целом, для мотора биотопливо скорее друг чем враг, но пока не иссякнут привычные нам нефть и газ, альтернативные источники не обретут большой популярности. Хотя начинать думать об этом нужно уже сейчас.

autoburum.com

Биотопливо: альтернатива есть

24 апреля 2012 года«Вольво» предлагает на родине широкую гамму моделей, работающих на биоэтаноле. Несколько прежних двигателей заменил единственный 1,6-литровый турбомотор мощностью 180 л.с. Силовой агрегат прошлой волны, 2-литровый 145-сильный атмосферник, уйдет со сцены вместе с устаревшими моделями C30, S40, V50.«Вольво» предлагает на родине широкую гамму моделей, работающих на биоэтаноле. Несколько прежних двигателей заменил единственный 1,6-литровый турбомотор мощностью 180 л.с. Силовой агрегат прошлой волны, 2-литровый 145-сильный атмосферник, уйдет со сцены вместе с устаревшими моделями C30, S40, V50.

Несмотря на отчаянные усилия конструкторов электрифицировать все, что движется, автомобилю в ближайшем будущем без традиционного двигателя не обойтись. Беда в том, что на большей части планеты его меню состоит лишь из невозобновляемых ресурсов — нефти и газа. Однако мотор не прочь питаться и разбавленным горючим. А потому нехитрый бизнес героя фильма «Джентльмены удачи» за 40 лет сделал не один шаг вперед.

АЛКОГОЛИКИ — НАШ ПРОФИЛЬ

На первом месте по популярности — добавление в бензин биоэтанола, то есть спирта из растительного сырья. Около 90% его производства приходится на Бразилию и США. Южноамериканцы гонят спирт из сахарного тростника, северные соседи — преимущественно из кукурузы. Сгодятся и другие растения с высоким содержанием крахмала или сахара, а также целлюлоза.

В некоторых странах добавление от 5 до 15% этанола установлено законодательно. Стандартному двигателю не повредит, если ему в бензин плеснут до 10% спирта. На колонки со смесями, содержащими более десятой доли этанола, обязательно наносят предупреждение об этом: старым двигателям такой рацион может не понравиться.

Бразильцы практикуют езду на биотопливе еще со времен нефтяных кризисов 70‑х годов прошлого века. Сейчас в стране нет в продаже бензина, в котором этанола менее 20% (Е20). Альтернатива этой смеси — только чистый Е100 (95–96% спирта и 4–5% воды). В Швеции и США распространена смесь Е85. Заправлять ими можно только «гибкотопливные» (flex-fuel) автомобили. Их система питания настроена под этанол — чистый или в сочетании с бензином в любой пропорции. Кроме того, октановое число спирта выше, чем у бензина, поэтому обычно требуются еще и переделки по железу, чтобы поднять степень сжатия до 12…13,5:1. Отсюда — более высокий КПД, лучшие мощностные показатели и меньшее количество выбросов. С другой стороны, теплотворная способность E85 ниже, чем у бензина, — если двигатель заправить такой смесью, он потеряет примерно четверть прежних сил.

На рынке Бразилии, мирового лидера в использовании этанола (парк автомобилей flex-fuel превышает 14,5 млн. штук), представлено более 80 моделей разных мировых брендов. В США такие автомобили почти столь же популярны (около 10 млн. машин), что заставляет местную «большую тройку» тоже выпускать биомодификации.На рынке Бразилии, мирового лидера в использовании этанола (парк автомобилей flex-fuel превышает 14,5 млн. штук), представлено более 80 моделей разных мировых брендов. В США такие автомобили почти столь же популярны (около 10 млн. машин), что заставляет местную «большую тройку» тоже выпускать биомодификации.

ВЕГЕТАРИАНСКОЕ МЕНЮ

По нестандартным рецептам готовят и дизельное топливо. Сырьем служат рапс, соя, различные масла и жиры. Такое топливо маркируют буквой В и цифрами, соответствующими доле растительных компонентов в смеси. Цетановое число топлива выше, чем у обычного: 51 против 42–45. Горючее отлично разлагается, не нанося вреда окружающей среде, и практически не содержит серы. Из значимых недостатков — недолгий срок хранения.

Биодобавки к дизельному топливу пока не получили такого широкого распространения, как биоэтанол. Тем не менее его производят во многих странах. Есть страны, где пятипроцентное содержание «био» узаконено и не требует упоминания при продаже.

КОМАНДА «ГАЗЫ»

Из биомассы получают и газообразное топливо, также отлично подходящее автомобилям. Например, метан — один из основных компонентов природного и так называемых попутных газов, получающихся при перегонке нефти. Столь полезное ископаемое с легкостью заменит никому не нужная гора органического мусора — от банального навоза до отходов рыбного, мясного, молочного и овощного производств. Этой биомассой и питаются бактерии, вырабатывающие биогаз. Очистив его от газа углекислого, получают так называемый биометан. Его главное отличие от обычного метана, на котором работают многие серийные модели, — он не является полезным ископаемым. Уж что-что, а навоз и растения раньше конца жизни на планете не иссякнут.

Схема производства биометана (все схемы и таблицы открываются в полный размер по клику мышки):

Биомасса служит и для получения другого автомобильного газа — водорода. Его выделяют, нагревая сырье до высоких температур без доступа кислорода или опять-таки призывают на работу бактерии. В ход идет все — от древесины до водорослей. Впрочем, этот газ пока не особенно актуален для рядовых потребителей. В перспективе его хотят использовать как горючее в топливных элементах, которые появятся в серийном производстве (по самым оптимистичным прогнозам концерна «Даймлер») не раньше чем через пять-семь лет. И еще через столько же — адекватные доходам цифры на ценнике.

ПЛЮС НА МИНУС ДАЕТ…

Все перечисленные альтернативы традиционному нефтяному топливу, увы, не лишены недостатков. Например, у наиболее распространенного биоэтанола — затрудненный пуск в зимнее время. Чтобы побороть недуг, автомобили, работающие на смесях Е85 и Е100, дополнительно оснащают подогревателем двигателя или небольшим баком с чистым бензином для холодного пуска. В Швеции предлагают зимний (по аналогии с дизтопливом) состав смеси — в холодное время содержание этанола снижают с 85 до 75%.

Существует и сугубо российская проблема. По давней традиции наше государство считает спирт веществом антисоциальным и оберегает от него граждан налогами и ограничениями. При таком раскладе стоимость спиртового горючего едва ли будет привлекательнее, чем привычного бензина. И разрешат ли продавать этанол круглосуточно?..

Есть и препятствия глобального масштаба. Одно из них — отсутствие единых стандартов и требований к биотопливу. Где гарантии, что, например, колесящему по Германии многотопливному «Опелю» понравится биобензин в соседней Франции, изготовленный из другого сырья? Поэтому современные модели, работающие на биотопливе, обычно не брезгуют бензином или дизтопливом.

Любимый аргумент инициаторов активного распространения биотоплива — независимость от невозобновляемых природных ресурсов. Сразу возникает несколько «но». Во-первых, страны-экспортеры нефти и газа приложат все усилия, чтобы воспрепятствовать этому. Для них расстаться с основной (иногда единственной) статьей доходов — катастрофа. Во-вторых, чтобы производить в больших объемах биоэтанол или биодизель, понадобятся огромные участки плодородной земли для выращивания сырья. Можно, конечно, потеснить на полях картошку или пшеницу, — но кто даст гарантию, что доселе благополучные страны не окажутся на пороге продовольственного кризиса?

Пока запасы нефти и газа достаточны, а цены на их добычу и переработку не поднялись на запредельную высоту, биотопливу суждено оставаться лишь добавкой, а не весомой альтернативой основным источникам энергии. Хотя стартовая площадка для взлета неплохая: технологии отработаны, производство совершенствуется с каждым днем. Да и получаемые киловатты обходятся сравнительно дешево. А потому биотопливо — пожалуй, один из наиболее серьезных конкурентов углеводородному горючему. Как подтверждение — миллионы серийных автомобилей, работающих или готовых работать на топливе с приставкой «био». А что до остальных трудностей, сдерживающих развитие этой отрасли, то они вполне разрешимы.

На биометан частично пере- веден обществен- ный транспорт нескольких городов Европы и США. Однако широкого распространения это начинание пока не получило.На биометан частично пере- веден обществен- ный транспорт нескольких городов Европы и США. Однако широкого распространения это начинание пока не получило.Выше доля биодобавок в топливе — ниже цена: компенсация за снижение энергоэффективности.Выше доля биодобавок в топливе — ниже цена: компенсация за снижение энергоэффективности.Биотопливо: альтернатива есть Биотопливо: альтернатива есть Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

www.zr.ru

БИОЭТАНОЛ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ:

Автор: Прогресс Технологий 31.10.2017 3029 Просмотров

Попытки использовать этанол — а проще говоря, этиловый спирт — в качестве топлива для ДВС начались едва ли не со времен изобретения этого самого двигателя. Какие-то из них были более успешными, какие-то — менее; как бы там ни было, всемирно распространенным видом топлива этанол так и не стал. Тем не менее, учитывая постоянное удорожание топлива на основе ископаемых углеводородов и возросшее значение экологии в жизни людей, такой поворот вполне возможен если не завтра, то послезавтра. Вспомним достоинства и недостатки этанола как топлива, а также выясним, как обстоят дела с производством и использованием этого горючего в разных странах мира.

Биоэтанол — тот же этиловый спирт

В современных статьях, посвящен-ных альтернативным источ никам энергии, чаще всего фигурирует термин «биоэтанол», который употребляется для обозначения спирта, полученного путем переработки сельскохозяйственной продукции с содержанием сахара или крахмала. Тем не менее это все тот же этанол — жидкое спиртовое топливо, способное при соблюдении ряда условий (о которых мы скажем ниже) обеспечить эффективную и экономичную работу двигателя. Несмотря на то, что для производства этанола чаще всего используются вполне съедобные культуры — зерновые, кукуруза, сахарный тростник, — пить этанол нельзя: в отличиие от спирта, применяемого для производства алкогольных напитков, топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией, при которой используются две ректификационные колонны вместо пяти. По этой причине в нем имеются такие составляющие, как метанол, сивушные масла и ряд других, делающих его категорически непригодным для питья, даже несмотря на часто добавляемую приставку «био». А вот для езды, в качестве экологичного топлива — сколько угодно, учитывая, что процесс производства этанола вреда окружающей среде практически не наносит.

Экологичное топливо

Биоэтанол — экологически чистый продукт. Он нетоксичен, легко растворяется в воде и не вызывает загрязнения грунтовых вод. В то же время бензин является источником канцерогенных веществ и его разлив в больших количествах неизбежно наносит серьезный вред окружающей среде.Многие эксперты называют производство этанола самым перспективным промышленным направлением. И вот почему. В то время как езда на чистом этаноле в мировом масштабе пока остается явлением не очень распространенным, благодаря высокому октановому числу и содержанию кислорода его активно используют в качестве составляющей для бензина. Именно этанол является наилучшим средством для борьбы с газами, вызывающими пресловутый парниковый эффект. И конечно же, сам процесс его производства позволяет создавать в сельской местности новые рабочие места, решая таким образом проблему, имеющуюся у многих стран на разных континентах.

В то время как чистый этанол годится в качестве основного топлива лишь в странах со стабильно теплым климатом, его смеси с бензином в разной пропорции имеют большую популярность во всем мире. Этанол в таких смесях повышает детонационную стойкость топлива, препятствует перегреву двигателя и загрязнению топливной форсунки, а также играет роль антифриза для топливопровода. И конечно же, минимизирует вред от выхлопа. При добавлении даже 5% этанола токсичность выхлопных газов значительно уменьшается, содержание углеводородов в выхлопе уменьшается на 4,5%, окиси азота — на 5,7%, окиси углерода — на 26,3%.

Этанол vs. бензин

Но прежде чем говорить о смешанных видах топлива, вернемся к биоэтанолу в чистом виде и сравним его с самым распространенным видом жидкого топлива, получаемым на основе природных углеводородов, — бензином. Этанол в меньшей степени смывает масло со стенок цилиндра; его пары горят быстрее и при этом с меньшей температурой, что благотворно сказывается на работе выпускных клапанов.Кроме уже упомянутого высокого октанового числа 105 этанол позволяет существенно увеличить мощность двигателя — за один ход этанола в цилиндре сгорает наполовину больше по массе, чем бензина, что обеспечивает прирост мощности ДВС около семи процентов, а крутящего момента — до двадцати процентов. Но еще важнее, что при сгорании этанола не образуется соединений серы и нагара, что вдвое и больше увеличивает срок службы масла и свечей, а также существенно продлевает ресурс работы самого двигателя. Для замены литра бензина требуется 1,15 литра этанола, однако стоит последний вид топлива почти вдвое дешевле, обеспечивая владельцу транспортного средства экономию в 40%, а то и в 50%.

На заправках в Бразилии можно приобрести топливо Acool E100, азеотроп этанола, состоящий из 96% этанола и 4% воды (либо 96,5% этанола и 3,5% воды). Формально это чистый этанол, но по причине гигроскопичности этого вещества его получение в более высокой концентрации путем дистилляции невозможно, а использование без остаточной концентрации воды — невыгодно. Подходит Е100 для машин с двигателем типа flex-fuel, рассчитанным на работу как с этанолом, так и с бензином, а также с их разнообразными смесями. Наиболее же распространенным топливом для автомобилей с таким двигателем является Е85 — смесь 85% этанола и 15% бензина.

Преимущества и ограничения использования

Казалось бы, экономическая выгода очевидна и переход на этанол неизбежен. Однако есть у этого вида топлива и ряд недостатков. Для запуска двигателя, работающего на этаноле, при температуре воздуха ниже плюс десяти градусов топливу потребуется подогрев (впрочем, если мотор при этом хоть немного теплый, то нет). Да и сам двигатель для работы на этаноле потребует некоторых затрат на модернизацию, позволяющую обогатить смесь топлива и воздуха: для карбюратора понадобятся жиклеры большого сечения, для инжектора — специальная настройка или установка адаптера. Второй вариант предпочтительней, так как позволяет в одно нажатие переходить с бензина на этанол или наоборот.

Раз уж мы коснулись вопроса переоборудования транспортного средства, сравним этанол и с газовым топливом. Стоимость пробега на километр пути в случае на спирту окажется несколько выше, чем на пропане или тем паче метане. Однако затраты на модернизацию автомобиля в том и другом случае просто несоизмеримы. Адаптация ДВС «под спирт» затрагивает лишь систему питания двигателя и в нынешних ценах вряд ли превысит десять тысяч рублей — само же топливо при этом заливается в штатный бак автомобиля. В случае же перехода на газ на машину потребуется установка газобалонного оборудования, связанная с уменьшением пространства в багажнике — или того, что использовалось под запаску, — а также особая регистрация в органах автоинспекции. Но даже после всех этих манипуляций машина на этаноле тянет лучше, а клапана ее двигателя не прогорают дольше, чем у той, что использует газовое топливо.

Но вернемся к вопросу запуска двигателя, работающего на этаноле, при температуре окружающей среды ниже +10°С. Проблема решается просто — добавкой к спирту небольшого количества бензина. Добавив 15% бензина, владелец транспортного средства обеспечит легкий пуск двигателя при температурах до -10°С; добавление 25% бензина позволит завести машину и при -25°С.

Наиболее распространенными в наше время являются смеси с низким содержанием этанола Е5, Е7 и Е20 — содержание интересующего нас вещества составляет в них 5, 7 и 20 процентов соответственно. Этанол в этих смесях не только замещает более дорогостоящий бензин, но и удаляет из него вредную оксигенерирующую добавку МТБЭ. Такие смеси могут использоваться автомобилями с обычным бензиновым двигателем.

Таким образом, езда на чистом этаноле идеально подходит для стран с теплым климатом, где температура в холодное время года не опускается ниже плюс десяти по шкале Цельсия. Возможно, отчасти именно этим обстоятельством объясняется тот факт, что мировыми лидерами производства топливного этанола являются такие страны, как Бразилия и США (на две эти страны приходится около 90% мирового производства этанола). С другой стороны, государственная программа по производству биоэтанола существует и в не столь теплой Канаде.

В Старом свете объем производства топливного этанола год от года растет в таких странах, как Италия, Испания, Франция и Германия. В Африке лидером производства выступает Южноафриканская республика — тот самый случай, когда индустрия изготовления биотоплива (в 70% случаев — из мелассы) помогает успешно создавать новые рабочие места в сельскохозяйственных районах страны. Два других государства из числа стран BRICS — Индия и Китай — имеют схожие по сути программы, направленные на рост производства как этанола в частности, так и других видов биотоплива.

Впрочем, национальные регуляторы роста производства экологически безвредных видов топлива во всем мире имеют много общего и включают в себя государственные субсидии и налоговые льготы для предприятий, специализирующихся в этой сфере. На сей день главными потребителями этанола в мире выступают производящие его страны — однако в среднесрочной перспективе, учитывая ежегодный рост объемов производства, ситуация здесь может измениться, а биоэтанол — стать весьма выгодной статьей экспорта, во всяком случае для некоторых из вышеназванных стран.

Прежде всего это касается стран-лидеров производства биоэтанола. В Соединенных Штатах действует более сотни таких предприятий, производящих более 150 миллионов литров этого топлива каждое — при этом активно строятся новые. Группируются такие объекты, как правило, в штатах, имеющих выраженную сельскохозяйственную «специализацию»; открытие каждого нового завода дает работу в среднем 700 местным жителям и приносит 1,2 миллиона долларов в местный и федеральный бюджеты. Производство этанола открыло новые горизонты для американских производителей пшеницы и кукурузы, обеспечив им более высокую прибыль, чем та, которую они получали раньше, что, в свою очередь, привело к подъему в агропромышленном секторе страны и позволило правительству уменьшить издержки на поддержку фермеров, которая традиционно осуществляется за счет собранных налогов. Американская национальная ассоциация производителей зерновых отмечает тенденцию роста кооперативов, приобретающих оборудование для производства биоэтанола — в этой индустрии уже трудятся более миллиона фермеров. В целом же вклад американских производителей этанола в экономику страны ежегодно составляет не менее шести миллиардов долларов.

И в США, и в других странах, где вырабатывают этанол, его производство справедливо считается не только экологичным, но и высокорентабельным — и вот почему. В среднем из тонны кукурузы, а вернее из содержащегося в ней крахмала, удается получить 410 тонн биоэтанола. При наличии соответствующего оборудования кроме собственно спиртового топлива можно выработать целый ряд других полезных продуктов: кукурузное масло, сиропы-подсластители, протеиновый корм для животных, сухую барду и двуокись углерода. Реализация этих продуктов часто приносит производителям этанола дополнительную прибыль, и немалую. Это касается не только США, но и их прямого конкурента в области производства биоэтанола — Бразилии, где для получения спиртового топлива традиционно используют не кукурузу, а сахарный тростник.

И наконец, о том, что касается энергозатрат на производство этанола. Согласно подсчетам, которые в свое время обнародовал Департамент сельского хозяйства США, этанол в ходе своего жизненного цикла вырабатывает 134% (если за 100% взять затраты энергии при получении — выращивании, уборке и переработке). А вот бензин способен вернуть лишь 80% энергии, затраченной на его производство. Другими словами, если перечислять виды альтернативных источников энергии, не только безвредных для окружающей среды, но и высокорентабельных, такой привычный этанол явно будет вверху этого списка — а то и вообще на самом первом месте.

Этанол может использоваться в виде смеси не только с бензином, но и с дизельным топливом. Еще в середине 80-х годов компания Scania начала разработку дизельного двигателя для автобуса, работающего на смеси Е95 — 95% этанола и 5% топливной присадки. Появилась особая программа испытаний городского пассажирского транспорта, работающего на 95%-м этаноле.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

proteh.org

Производство и применение моторного биотоплива

Биотопливо для дизельных двигателей внутреннего сгорания

В настоящее время известно несколько различающихся по своей технической сути концепций производства биотоплива для дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДДВС) из возобновляемого органического сырья. При этом конечные продукты соответствующих технологических циклов отличаются по компонентному и химическому составу и, следовательно, имеют различные значения нормируемых физико-химических параметров, обеспечивающих безопасную и надежную эксплуатацию выпускаемых серийно дизельных двигателей. Можно условно выделить три описываемые ниже группы технологий получения моторных биотоплив.

В первую группу входят технологии, в которых применяются вариации наиболее простого способа приготовления моторного биотоплива, состоящего в добавлении (обычно, в относительно небольших количествах) натуральных органических компонентов растительного происхождения в обычное минеральное моторное топливо с последующей гомогенизацией смеси.

Вторую группу представляют сложные технологии, предусматривающие предварительную химическую конверсию органического сырья с получением органических соединений отличного от исходных веществ химического состава для непосредственного применения в качестве биотоплива или добавления в стандартное минеральное топливо.

К третьей группе относятся технологические циклы, в которых моторные топлива синтезируются из газов, полученных в результате термохимической или/и биологической переработки возобновляемого органического сырья.

В этой статье для всех классов продуктов данного назначения приято название «дизельное биотопливо», которое следует отличать от получившего повсеместное распространение в последние годы термина «биодизельное топливо» или «биодизель». Последнее наименование мы относим только к биотопливам на основе метиловых эфиров жирных кислот (МЭЖК), полученных из растительных масел с использованием реакции переэтерификации, подробно описанной в соответствующем подразделе. Сегодня в промышленных объемах производится именно этот вид дизельного биотоплива.

Рисунок 3.1. Технологии получения дизельных биотоплив

На рисунке 3.1 представлены общая упрощенная схема технологических циклов получения дизельного биотоплива четырех видов:

  • композитное минерально-органическое дизельное биотопливо (группа I);
  • биодизельное топливо – биодизель (группа II);
  • гидролизное дизельное биотопливо (группа III);
  • синтетическое дизельное биотопливо (группа IV).

Композитное минерально-органические биотопливо (КМОБТ)

Интенсивный поиск экологически эффективных аналогов ископаемого сырья, используемого для приготовления топлива для дизельных двигателей, ведется в течение нескольких десятилетий. В поле зрения исследователей в качестве возможного заменителя продуктов нефтеперегонки в этой области, в первую очередь, попали растительные масла. Дело в том, что растительное масло обладает достаточно высокой теплотворной способностью и, по своим физико-химическим свойствам, в значительной степени соответствует условиям работы дизельного двигателя. Не случайно на выставке в Париже 1900 года работа одного из самых первых образцов разработанного Рудольфом Дизелем двигателя была продемонстрирована с использованием арахисового масла в качестве топлива.

Растительные масла представляют собой композицию гидрофобных (нерастворимых в воде) окисленных углеводородов, в составе которых преобладают, так называемые, «триглицериды» – органические вещества со структурой молекулы глицерина (простейшего трехатомного спирта), к которой гидроксильные группы замещены остатками жирных кислот.

Рисунок 3.2. Схема строения молекул глицерина и глицеридов

Группу липидов образуют нерастворимые в воде (гидрофобные) вещества однотипного молекулярного строения – жиры, фосфолипиды, стероиды и т. п. Молекулы этих веществ, называемых «триглицеридами» представляют собой остаток трехатомного спирта (глицерина), в котором гидроксильные группы замещены (этерифицированы) жирными кислотами. Схема строения триглицерида представлена на рисунке 3.2. Радикалы жирных кислот обозначены на рисунке как R1, R2, R3. Различные индексы в обозначении радикалов использованы потому, что в общем случае один молекула глицерида объединяет в себе остатки различных жирных кислот. Исключение составляют оливковое и касторовое масло. В первом из них 80 % от общего объема жирных кислот составляет олеиновая кислота, а во втором содержится около 95 % рицинолевой кислоты.

В таблице 3.2 представлены данные по элементному составу и удельной теплоте сгорания жирных кислот (ЖК), доминирующих в составе растительных масел, используемых в качестве сырья для производства дизельных биотоплив.

Таблица 3.2 Химические свойства жирных кислот

Как видно из таблицы, ЖК имеют довольно высокие значения теплотворной способности (~37 МДж/кг), что всего лишь на 12 % ниже, чем для дизельного топлива (~42 МДж/кг). При этом наблюдается рост теплотворной способности с увеличением молярной массы.

Таблица 3.3 Содержание некоторых жирных кислот в растительных маслах

Процентное содержание различных ЖК в растительных маслах может сильно варьировать не только в зависимости от видовой принадлежности культуры, но также в зависимости от сорта, условий выращивания, вегетационного периода, сроков сбора урожая и т.п. В таблице 3.3 приведены данные по содержанию жирных кислот преобладающих в различных маслах, пригодных для применения в биотопливной энергетике.

В странах ЕС наибольшее распространение в качестве сырья для производства дизельного биотоплива получило рапсовое масло. Из сравнения основных параметров рапсового масла и минерального дизельного топлива (таблица 3.4) можно заметить следующие отличия.

Таблица 3.4 Физико-химические свойства рапсового масла, дизельного топлива и композитного минерально-органического биотоплива на их основе

Рапсовое масло имеет более низкие значения теплотворной способности, что обусловлено наличием кислорода в составе молекул жирных кислот. Поэтому удельный расход топлива при использовании рапсового масла должен увеличиться, хотя и незначительно. На характеристики работы двигателя это не оказывает существенного влияния.

Вязкость рапсового масла при комнатной температуре примерно в 20 раз превышает нормируемую вязкость дизельного топлива. Этим объясняется и более высокая температура застывания. Это является безусловно негативным фактором, поскольку, с одной стороны, способствует повышенному нагарообразованию при работе двигателя и, соответственно, снижению его ресурса. С другой стороны, исключает возможность его эксплуатации при низких зимних температурах, без проведения специальной предварительной подготовки топливной системы к запуску.

Из положительных факторов следует отметить незначительное, по сравнению с дизельным топливом, содержание серы. В таблице приведено значение содержания серы по ГОСТ 305-82, в соответствии с требованиями которого, допускалось содержание серы до 0,2-0,5 %, в зависимости от марки топлива. В настоящее время эти требования существенно ужесточились в связи с тем, что сера признана исключительно вредной, в экологическом плане, примесью, так как при сгорании она образует окислы SO2 и SO3, являющиеся ангидридами сернистой и серной кислоты, соответственно. В соответствии с требованиями ЕВРО-3, массовая доля серы не должна превышать 0,035 %, ЕВРО-4 – 0,005 %, ЕВРО-5 – 0,001 %.

Технология приготовления КМОБТ для дизельных двигателей с использованием растительных масел достаточно проста (рисунок 3.1). Перед применением в качестве топливного от растительной массы отделяют те части, в которых содержится масло (операция 1), после чего производят его экстракцию на рисунке с последующей очисткой (2). На заключительной стадии (3) растительное масло смешивают с дизельным топливом, добавляют необходимые присадки и гомогенизируют (3). Ввиду достаточно хорошей взаимной растворимости масел и жидких нефтепродуктов последняя операция технических трудностей не вызывает и применения специального оборудования не требует.

Из таблицы 3.4, в которой приведены значения основных физико-химических параметров композитного биотоплива, содержащего 75% рапсового масла и 25% дизельного топлива (ГОСТ 305-82), видно, что добавление углеводородного компонента в масло позволяет их модифицировать, и тем самым в определенной мере компенсировать недостатки как растительного компонента, так и дизельного топлива. С одной стороны, вязкость КМОБТ существенно ниже, чем у исходного масла, с другой – резко снижается содержание серы, по сравнению с дизельным топливом. В то же время теплотворная способность изменяется несущественно.

Основной экологический эффект от применения КМОБТ состоит в том, что заменой некоторой части ископаемого углеводородного топлива компонентами возобновляемого органического сырья удается снизить техногенное влияние на состав атмосферы.

Биодизельное топливо (БДТ) – биодизель

Биодизельное топливо (БДТ) представляет собой аналог обычного дизельного топлива, содержащий нормируемое количество метиловых эфиров (МЭ), произведенных из растительных масел – чаще всего, рапсового (МЭРМ), но могут применяться и другие масла: пальмовое, арахисовое и т. п.

В стандартной технологии МЭ образуется в результате так называемой, «реакции переэтерификации» липидных компонентов (жиров), извлекаемых из растительного сырья, с этанолом (метиловым спиртом) в присутствии катализатора (чаще всего, щелочного).

Цикл производства БДТ включает в себя следующие технологические операции (см. рисунок 3.1):

  • отделение маслосодержащих компонентов (1);
  • экстракция липидной фракции (2);
  • переэтерификация с целью получения МЭЖК (4а);
  • гомогенизация в смеси с дизельным топливом (3а).

Группу липидов образуют нерастворимые в воде (гидрофобные) вещества однотипного молекулярного строения – жиры, фосфолипиды, стероиды и т. п. Молекулы этих веществ, называемых «триглицеридами» представляют собой остаток трехатомного спирта (глицерина), в котором гидроксильные группы замещены (этерифицированы) жирными кислотами. Схема строения триглицерида представлена на рисунке 3.3. Радикалы жирных кислот обозначены на рисунке как R1, R2, R3. Различные индексы в обозначении радикалов использованы потому, что в общем случае один и тот же триглицерид, входящий в состав жиров, объединяет в себе различные жирные кислоты. Исключение составляют оливковое и касторовое масло. В первом из них 80 % от общего объема жирных кислот составляет олеиновая кислота, а во втором содержится около 95 % рицинолевой кислоты.

Рисунок 3.3. Реакция переэтерификации

Переэтерификацией называют химический процесс в котором осуществляют реакцию сложного эфира со спиртом, кислотой или другим сложным эфиром, в результате которой образуется сложный эфир, по составу отличающийся от исходного. При этом, за счет перераспределения радикалов жирных кислот внутри одной молекулы глицерида или между разными молекулами, изменяется глицеридный состав исходного вещества.

В результате реакции переэтерификации происходит отщепление остатков жирных кислот от глицерольного стержня, и их место занимают гидроксильные группы, отсоединившиеся от молекул спирта (рисунок 3.3). Образовавшиеся радикалы спирта присоединяются к остаткам жирных кислот, образуя при этом целевой продукт – метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК).

Вероятность того, что все три молекулы спирта одновременно прореагируют с молекулой триглицерида (ТГ) ничтожно мала, поэтому реакция переэтерификации фактически имеет три последовательные стадии. На первой стадии, после замещения одного остатка жирной кислоты гидроксильной группой, образуется диглицерид (ДГ). На второй стадии ДГ теряет второй остаток ЖК, превращаясь в моноглицерид (МГ). Наконец, в результате замещения гидроксильной группой третьего остатка ЖК, образуется глицерин.

Эта реакция характеризуется достаточно высоким энергетическим барьером, который не удается преодолеть путем повышения температуры ввиду низкой температуры кипения спиртов при давлениях, близких к атмосферному: метанол – 65, этанол – 78, бутанол – 97, пропанол – 118, поэтому, чтобы понизить барьер и сократить время процесса до приемлемых значений, применяют катализаторы. Молекула катализатора служит для образования промежуточных химически активного комплекса, имеющего достаточно низкий энергетический барьер и, соответственно, образующегося при относительно невысоких температурах. Катализаторы бывают двух типов: гомогенные – находящиеся в том же агрегатном состоянии, что и реагенты, и гетерогенные – такие, которые находятся в другом агрегатном состоянии по отношению к реагентам.

В качестве гомогенных катализаторов при получении МЭЖК могут быть применены как щелочные (NaOH, KOH, NaMeO), так и кислотные (h3SO4 PTSA, MSA, h4PO4, CaCO3) гомогенные катализаторы. Гомогенные катализаторы обеспечивают высокую селективность процесса, но их применение связано с технологическими сложностями на стадии разделения продуктов реакции и отработавшего катализатора. Приходится сначала нейтрализовать катализатор, что усложняет технологический цикл и приводит к дополнительным потерям как целевого продукта (МЭЖК), так и побочного (глицерин) вследствие загрязнения примесями, которые не удается отделить полностью.

Отделение гетерогенного катализатора не представляет технической сложности и не связано с применение вредных химических веществ. Его можно отделить методом декантации или фильтрования. Применение гетерогенных катализаторов позволяет упростить технологическую схему производства. В качестве таких катализаторов могут применяться окислы металлов (например, кальция и магния), различные глины и сернистые цеолиты, сульфаты, гетерополикислоты, а также специально разработанные композитные материалы.

К недостаткам гетерогенных катализаторов следует отнести значительно более низкую селективность по сравнению с гомогенными катализаторами. Кроме того, условия тепломассообмена на границе раздела твердой и жидкой фаз существенным образом влияют на скорость процесса, предъявляя особые требования как к свойствам поверхности активного материала, так и к организации потоков массы в реакторе.

Материальный баланс реакции переэтерификации рапсового масла метанолом в типовых условиях технологического процесса с использованием щелочного катализатора представлен в таблице 3.5.

Таблица 3.5 Материальный баланс реакции переэтерификации

Помимо смеси сложных метиловых (или этиловых) эфиров насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, в результате реакции образуется смесь побочных продуктов – «глицероловая фаза» следующего типового состава:

  • глицерин – 56 %;
  • вода – 8 %;
  • неорганические соли – 9 %;
  • другие эфиры – 10 %;

не прореагировавшие реагенты:

  • метанол – 4 %;
  • жирные кислоты – 13 %.

Качество исходного сырья может оказывать существенное влияние на выход целевого продукта. Так в типовом процессе переэтерификации в присутствии щелочного катализатора большое значение имеет содержание свободных жирных кислот (СЖК) в исходном масле. Дело в том, что, они при взаимодействии со щелочами образуют мыла, тем самым выводя из процесса некоторую часть катализатора. Это приводит к потере последнего и снижению выхода целевого продукта. Присутствие влаги в сырье может способствовать повышению концентрации СЖК вследствие реакции гидролиза, схема которой показана на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Образование СЖК в результате гидролиза

Не смотря на то, что рыночная стоимость сырья с высоким содержанием СЖК гораздо ниже стоимости очищенного масла, себестоимость МЭЖК из-за его низкого выхода может оказаться неприемлемо высокой. Это обусловлено тем, что сам по себе процесс переэтерификации является обратимым, а его типовая модификация характеризуется низкой скоростью даже при относительно высокой температуре.

В зависимости от содержания свободных жирных кислот сырье для производства МЭЖК подразделяют на следующие группы (таблица 3.6):

Таблица 3.6 Классификация сырья для производства МЭЖК по содержанию свободных жирных кислот

В зависимости от того, насколько конструкция химического реактора обеспечивает благоприятные условия тепломассообмена, время процесса может составлять от 1-2 ч при температуре, близкой к точке кипения метанола (~ 65 ºC), до полусуток при комнатной температуре (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5. Зависимость времени процесса от температуры

Для повышения выхода МЭЖК при переработке сырья с высоким содержанием свободных жирных кислот иногда прибегают к применению двухстадийного процесса, на первой стадии которого в присутствии кислотного катализатора проводят этерификацию молекул СЖК, преобразуя их в метилэфиры. Таким способом удается уменьшить концентрацию СЖК до уровня ниже 0,5 %.

Вторую стадию – переэтерификацию триглицеридов приходится проводить уже в присутствии щелочного катализатора, поскольку кислотный катализ ТГ характеризуется еще более низкой скоростью по сравнению со щелочным. Так, даже при температуре 60 °С продолжительность процесса составляет около 2 суток. При этом его проведение при температурах выше 60 °С необходимо создать в реакторе повышенное давление, чтобы подавить интенсивное испарение и предотвратить выкипание метанола.

Композиция метиловых эфиров, как продукт переэтерификации и последующей очистки, представляет собой базовый компонент биодизельного топлива, который должен отвечать требованиям соответствующих стандартов. В странах ЕС на биодизель разработаны стандарты EN14214, EN590 (EN590:2000) и DIN 51606, а в США – ASTM 6751. В России принят стандарт ГОСТ Р 52368, допускающий содержание до 5 % МЭЖК в дизельном топливе. Он является аналогом международного стандарта ASTM D975, согласно которому обычное дизельное топливо может содержать до 5% биодизеля. Причем, владелец АЗС не обязан уведомлять об этом покупателя топлива. Сегодня на потребительском рынке реализуется биодизель марки B100 (не разбавленный минеральным дизельным топливом), а также топливные смеси для дизельных двигателей с разным содержанием биодизеля: B2, B5, B20, где «B» обозначает наличие в составе топлива МЭЖК, а цифрами обозначена их доля в процентах массы (таблица 3.7).

Таблица 3.7 Марки биодизельного топлива

В случае применения биодизельного топлива с высоким (выше 20 %) содержанием МЭЖК необходимо иметь в виду то, что из-за более низкой теплотворной способности удельный расход топлива увеличивается. Кроме того, может ухудшиться запуск двигателя при низких температурах из-за высокой температуры фильтрации. Во избежание преждевременного отказа двигателя, при использовании биодизеля марки B100 требуется его доработка.

Биодизельное топливо марки B2 и B5 рекомендованы к применению на всех типах дизельных двигателей без ограничения функциональных возможностей и ресурса. В США среди автовладельцев наибольшей популярность пользуется марка B20, хотя некоторые автомобильные компании не распространяют гарантию на двигатели, если применяется БДТ этой марки.

В таблице 3.8 приведены значения основных характеристик биодизеля (B100) в соответствии с требованиями стандартов ЕС (EN 14214) и США (ASTM 6751) в сравнении с характеристиками нефтяного дизельного топлива по EN 590.

Таблица 3.8 Основные нормируемые физико-химические свойства биодизельного топлива

Некоторые свойства биодизеля обеспечивают ему дополнительные преимущества. Так, благодаря высокому значению температуры вспышки (обычно, втрое выше, чем у дизельного топлива), он отличается высокой пожаробезопасностью. Следует также отметить положительную роль кислорода, присутствующего в составе МЭЖК. Благодаря кислороду, в камере сгорания ДВС развиваются более высокие температуры, так как процесс горения протекает с большей интенсивностью за счет дополнительного окислителя в доступной форме. С одной стороны, это приводит к некоторому увеличению окислов азота в отработавших газах, но зато способствует повышению эффективного КПД.

Несмотря на небольшое повышение окислов азота, в целом, выхлоп дизельного двигателя, работающего на биодизеле, намного чище, чем при работе минеральном дизельном топливе (таблица 3.9).

Таблица 3.9 Снижение концентрации вредных веществ в выхлопных газах дизельного двигателя при замене нефтяного дизельного топлива биодизельным

Как видно из таблицы, наиболее существенно, независимо от типа системы подачи топлива в цилиндр, снижается выброс сажи. Это подтверждает предположение том, что присутствующий в составе молекул биодизеля кислород способствует более интенсивному и полному сгоранию топлива.

Гидрокрекинговое дизельное биотопливо (ГДБТ)

Технология получения биотоплива методом гидрокрекинга растительных масел относится к наиболее перспективным направлениям, находящимся в поле зрения исследователей разных стран. В основе явления гидрокрекинга лежит высокая реакционная способность и избирательность химически активных комплексов, которые водород может образовывать на катализаторах. При определенных условиях такие комплексы инициируют разрыв межуглеродных связей высокомолекулярных соединений, в результате чего происходит их расщепление на остатки с более низкой молекулярной массой.

Интенсивное исследование процесса гидрокрекинга проводится, прежде всего, в нефтяной области в связи с тем, что с его помощью можно трансформировать высокомолекулярные углеводороды в низкокипящие жидкие соединения с меньшей объемной плотностью, характеризующиеся более высокими значениями октанового числа, по сравнению с исходным сырьем.

Путем гидрокрекинга можно осуществлять переработку растительных масел с получением предельных углеводородов. В результате реакции гидрокрекинга, за счет образования свободной воды, из исходного органического сырья выводится значительная часть кислорода, что способствует повышению теплотворной способности конечных продуктов.

Цикл производства дизельного биотоплива с применением метода гидрокрекинга включает в себя следующие технологические операции (рисунок 3.1):

  • отделение маслосодержащих компонентов (1);
  • экстракция липидной фракции (2);
  • гидрокрекинг липидной с фракции с целью получения смеси углеводородных компонентов требуемого состава (4б).

Гидрокрекинг можно условно представить в виде двух стадий, на первой из которых происходит гидрирование соединений, содержащих кислород, серу. Вторая стадия представляет собой крекинг (расщепление) образовавшихся на стадии гидрирования высокомолекулярных углеводородов. Схема реакции гидрирования триглицерида представлена на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6. Схема реакции гидрирования триглицерида

Путем оптимизации состава катализаторов и условий проведения технологического процесса можно добиться практически полного гидрирования глицеридов, содержащиеся в растительных маслах. Помимо глицеридов, процесс гидрирования применим к кислотам жирам белкам (рисунок 3.7), а по отношению образовавшихся углеводородом можно осуществлять не только гидрирование, но и крекинг (рисунок 3.8).

Рисунок 3.7. Схема реакции гидрирования жирных кислот и белков

Процесс гидрокрекинга растительных масел осуществляют под давлением 2-5 МПа при температуре 250-350 ºС. Реакция идет на комбинированном, так называемом, «бифункциональном» гетерогенном катализаторе, обеспечивающем коррекцию скоростей гидрирования и крекинга компонентов исходного сырья. В качестве такого катализатора, проявляющего умеренную крекирующую активность при достаточно высокой гидрирующей активности рекомендуется использовать алюмомолибденовые и алюмоникелевые материалы, приготовленные путем нанесения окислов молибдена и никеля на алюмосиликатную керамику или оксид алюминия.

Рисунок 3.8. Схема реакции крекинга углеводорода

В результате гидрокрекинга масел происходит расщепление глицеридов. При этом образуется значительное количество свободной воды за счет реакции содержащегося в глицериде кислорода с водородом. Выход воды при полном гидрокрекинге рапсового масла выход воды составляет примерно 17 % по массе.

Рисунок 3.9. Схема установки для гидрокрекинга растительных масел

Схема одного из вариантов технологической установки для гидрокрекинга растительных масел с целью получения дизельного биотоплива приведена на рисунке 3.9. В состав установки входит нагревательная емкость 1, реактор гидрокрекинга 2, сепаратор 3, трехфазный разделитель 4, циркуляционный насос 5, ректификационная колонна 6.

Исходное растительное масло сначала подают в нагревательную печь, где доводят его температуру до 250-350 ºС, после чего оно поступает в реактор гидрокрекинга. Одновременно в реактор поступает газовая смесь, содержащая водород. В реакторе поддерживается высокое рабочее давление порядка 2-5 МПа. Реактор заполнен пористым материалом с нанесенным на него катализатором. Гидрогенизацию сырья проводят в циркулирующем потоке водородосодержащего газа (ВСГ), непрерывно добавляя в него водород с низкой температурой, чтобы компенсировать его убыль в результате реакции и обеспечить регулирование температурного режима в реакторе, поскольку гидрокрекинг представляет собой экзотермический процесс. Сепаратор, находящийся под высоким давлением, служит для отделения и вывода из процесса цикла части отработавшего ВСГ, в то время как оставшаяся часть с помощью циркуляционного насоса возвращается в цикл и смешивается с перерабатываемым сырьем и поступающим свежим водородом.

Жидкая фракция из сепаратора через дроссель поступает в трехфазный разделитель, в котором происходит разделение гидрогенизата (продуктов гидрокрекинга) на три части: углеводородный газ, воду с растворенными в ней примесями и водонерастворимую углеводородную жидкость. Последнюю направляют в ректификационную колонну, где ее разделяют на бензиновую и дизельную фракции. Тяжелая фракция гидрокрекинга собирается в нижней части колонны. Примерный выход продуктов гидрокрекинга рапсового масла на алюмоникелевом катализаторе представлен в таблице 3.10.

Таблица 3.10 Выход продуктов гидрокрекинга рапсового масла

Гидрокрекинг, как метод переработки органического сырья, является достаточно эффективным и универсальным. Его продуктами, в отличие от технологии биодизеля, являются композиции (преимущественно, предельных) углеводородов, со свойствами очень близкими к продуктам перегонки нефти. Кроме того, этим способом можно производить конверсию весьма широкого ассортимента органических веществ, включая липидное сырье с высоким содержанием СЖК.

С другой стороны, от топлива, произведенного из ископаемого сырья, гидрокрекинговое дизельное биотопливо выгодно отличает исключительно низкое (меньше 0,001 %) содержание серы. Цетановое число дизельной фракции, полученной гидрокрекингом, составляет 90-100. Ее применение в качестве дизельного биотоплива позволяет снизить содержание окислов азота в выхлопных газах. При случайных разливах топлива наносится меньший ущерб окружающей среде, так как в результате воздействия микроорганизмов в течение 1 месяца разлагается порядка 95 % гидрокрекингового биотоплива, в то время как для нефтяного топлива этот показатель составляет лишь 40 %.

В то же время, для гидрокрекинга требуются значительные объемы водорода. Поэтому развитие данной технологии должно сопровождаться развитием производства экологически чистого водорода из возобновляемого сырья.

Биотопливо для бензиновых двигателей внутреннего сгорания

В настоящее время в области замещения углеводородных компонентов топлива для бензиновых двигателей органическими, произведенными из возобновляемого сырья, доминирует направление, связанное с производством и использованием различных спиртов – преимущественно, этилового (получившего название «биоэтанол»). Также ведутся работы по созданию промышленных технологий получения биометанола, биобутанола, биопропанола. Биоспирты обычно получают путем ферментации сахаридов в результате жизнедеятельности микроорганизмов. В качестве альтернативной технологии производства биотоплив для бензиновых двигателей рассматривается цикл газификации возобновляемого органического сырья с последующим каталитическим синтезом биоулгеводородов.

В системе классификации компонентов биотоплива по происхождению к первому поколению относят спирты, произведенные из пищевого или кормового сырья: сахарного тростника, сахарной свеклы и некоторых других культур, таких как картофель, зерновые, маниока и др.

Второе поколение биотоплив данного применения представляют спирты, производимые из органических отходов сельского хозяйства и различных производств, таких как лесозаготовка и деревообработка. Это преимущественно лигноцеллюлозу (основа растительной клетчатки), которая содержит полисахариды, в исходном виде не подверженные спиртовой ферментации, что удлиняет и существенно усложняет технологическую цепочку получения биоспиртов. В этом случае операции сбраживания должна предшествовать стадия, на которой полисахаридные компоненты подвергают кислотному гидролизу с получением сахаридов с числом молекулярных звеньев не выше пяти. Кроме того, целевой продукт гидролиза необходимо нейтрализовать и очистить от побочных компонентов.

К биотопливам третьего поколения относят спирты, полученные из биомассы микроводорослей, которые также содержат клетчатку, доля которой может колебаться в широких пределах в зависимости от вида и условий культивирования.

В силу сложности получения и относительно высокой себестоимости биоспиртов второго и третьего поколений наибольшее распространение сегодня получил биоэтанол, получаемый из сахаросодержащего сырья. При этом примерно 2/3 в мировом производстве сахароносных культур принадлежит сахарному тростнику и почти 1/3 – сахарной свекле. Основная доля сахарного сырья приходится на производство алкогольной продукции, медицинских и косметических препаратов.

Производство топливного спирта из сахаросодержащего сырья

Технология производства биоспиртов из сахаросодержащего сырья включает в себя следующие технологические операции (рисунок 3.10):

  • отделение сахароносных частей растения (1);
  • измельчение (2);
  • спиртовое сбраживание (3);
  • ректификация (4);
  • абсолютизация (5).

Компоненты, содержащие доступные для грибковых организмов сахара, измельчают и подвергают сбраживанию без доступа воздуха. Обычно, сбраживание осуществляют с использованием искусственно культивируемых дрожжевых микроорганизмов. Помимо дрожжей, спиртовое брожение может происходить в результате жизнедеятельности некоторых видов бактерий, дрожжеподобных и плесневых грибковых организмов, таких например, как мукоровые грибы.

Рисунок 3.10. Технологии получения топливных биоспиртов

Известна способность крахмальных грибков осахаривать крахмал, содержащийся в злаках (кукуруза, рис и др.), посредством фермента амилазы в декстрины и мальтозу, которые под действием другого фермента (мальтазы), содержащегося в мукоровом грибке, расщепляются с образованием глюкозы. Последняя подвергается сбраживанию в этиловый спирт мукором и, частично, дрожжами благодаря наличию в них зимазы.

Однако в настоящее время в промышленном производстве этанола ферментативное расщепление крахмала осуществляют с помощью рекомбинантных препаратов альфа-амилазы (глюкамилаза, амилосубтилин), полученных с применением биоинженерных методов.

В результате процессов брожения происходит превращение сахаров типа глюкозы в этанол и углекислый газ, которое можно описать следующим приближенным уравнением:

C6h22O6 → 2C2H5OH + 2CO2

Биохимический процесс брожения идет до достижения верхнего предела концентрации спирта в растворе, характерного для каждого конкретного вида микроорганизмов, который не превышает значения 15 %. При более высокой концентрации этанола дрожжи, как правило, гибнут. Более концентрированный и очищенный от примесей продукт обычно получают методом дистилляции. Побочными продуктами брожения являются барда, которая находит применение в сельском хозяйстве в качестве добавки к кормовому рациону животных, и сивушные масла.

Наиболее интенсивно процесс ферментация сахаров протекает в температурном диапазоне 25-37 °С. При температуре ниже 25 °С скорость брожения резко снижается, а при температуре выше 37 °С она уменьшается из-за вырождения ферментов.

Процесс должен происходить в анаэробных условиях, т. е. без доступа кислорода, так как в его присутствии процесс идет с образованием уксусной кислоты вместо спирта. Максимально достижимая концентрация водного раствора при этанольном сбраживании составляет 14 %, так как спирт в более высоких концентрациях становится токсичным для самих дрожжевых культур.

Традиционный метод ферментации не лишен недостатков, к которым относится, в частности, неспособность дрожжевых грибов перерабатывать ксилозу (моносахарид из группы пентоз с эмпирической формулой C5h20O5), доля которой в растительной клетчатке может достигать 20 %. Компании Arkenol удалось решить эту проблему с помощью выведенного ее специалистами нового штамма бактерий, усваивающих преимущественно пентозы.

Биобутанол производят в аналогичном технологическом цикле, что и биоэтанол, но ферментацию осуществляют с применением микроорганизмов, которые в процессе жизнедеятельности усваивают сахариды, выделяя при этом не этиловый, а бутиловый спирт. К таким микроорганизмам относится бактерия Clostridium.

В то время как в европейских странах успешно развивается рынок биодизельного топлива, на американском континенте большие успехи достигнуты в освоении топливного биоэтанола произведенного из кукурузы и сахарного тростника. В России этанол производится преимущественно из зернового сырья. В таблице 3.11 приведены данные по выходу продуктов спиртового производства для различных видов зерна.

Таблица 3.11 Выход биоэтанола при использовании зернового сырья

Одним из основных побочных продуктов ректификации является газовая фракция, состоящая, преимущественно, из углекислого газа (99 %). Газовая фракция содержит примеси в виде паров спирта, эфиров, альдегидов, органических кислот. Углекислый газ после водной очистки от примесей, большинство из которых обладают высокой растворимостью, компрессируют в водоотделителе, заполненным адсорбентом (активированный уголь, силикагель цеолит). Очищенную углекислоту поставляют в виде баллонного газа или «сухого льда».

Группу прочих побочных продуктов составляют:

  • «головная фракция», содержащая не менее 92 % этилового спирта, метанол, эфиры, альдегиды и воду;
  • сивушное масло, представляющее собой смесь этилового спирта (10-40 %), высших спиртов и воды;
  • барда, в состав которой входит 5-8 % сухих веществ, а также вода, обогащенная труднолетучими примесями (сложные эфиры, кислоты).

Сивушное масло используют при получении сырья (амиловый, бутиловый и пропиловый спирты) для лакокрасочной промышленности и органического синтеза. Головную фракцию отправляют в производство технического и денатурированного спирта, а также этилацетата.

В сухом веществе зерновой барды в большом количестве представлены белки, жиры, углеводы, органические кислоты, витамины. Поэтому она обычно идет на корм скоту.

Выделяющаяся при ректификации вода агрессивна по отношению к металлам, поскольку имеет кислую реакцию. Ее частично используют для собственных нужд производства (разгонка головной фракции, промывка сивушного масла, приготовление сусла).

Производство гидролизного топливного спирта

Топливные спирты, полученные путем переработки отходов древесины, бумажной промышленности, растениеводства и т. п., относят к биотопливам второго поколения. При их производстве исходную клетчатку (лигноцеллюлозу) сначала подвергают гидролизу для разложения составляющих ее полисахаридов с образованием смеси пентоз и гексоз. Эти соединения представляют собой органические формы, доступные для усвоения дрожжевыми и грибковыми микроорганизмами.

Рисунок 3.9. Схема установки для гидрокрекинга растительных масел

Технологический цикл получения спиртов из целлюлозного сырья включает в себя следующие основные технологические операции (рисунок 3.9):

  • измельчение (2);
  • гидролиз (6);
  • спиртовое сбраживание (3);
  • ректификация (4);
  • абсолютизация (5).

В технологическом плане, наиболее сложной является операция гидролиза целлюлозы с целью разложения растительной клетчатки на моно- и олигосахариды. Процесс гидролиза клетчатки, называемый также «осахариванием», может происходить под действием ферментов или кислот Чаще всего применяют кислотный гидролиз, схема которого представлена на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11. Схема технологического цикла производства гидролизного биоэтанола

Перед подачей в реактор лигноцеллюлозное сырье проходит подготовку, которая заключается в измельчении до размера частиц 1-5 мм последующим перемешиванием при одновременной обработке слабым раствором серной кислоты. Подготовленная масса поступает в герметичный реактор периодического или непрерывного действия. Последний отличается более высокой производительностью.

В реактор также подается серная кислота, в контакте с которой происходит гидролиз лигноцеллюлозной массы – расщепление длинных молекулярных цепочек целлюлозы. Гидролизат (продукт гидролиза) отбирают из реактора и прогоняют через фильтр, в котором от него отделяют лигнин. Далее гидролизат подают в модуль отделения сахаров от кислоты.

Кислоту прогоняют через модуль регенерации и возвращают в реактор для обработки новых поступающих порций обрабатываемой биомассы, а сахара отправляют в модуль нейтрализации остатков серной кислоты известью. В результате реакции нейтрализации в осадок выпадает сульфат кальция, который может быть использован, например, в качестве сырья для производства алебастра (строительного гипса). Полученный таким образом сахарный раствор подвергают ферментации в целях получения топливных спиртов описанным выше способом.

Условия проведения процесса

Существует несколько модификаций гидролизного процесса, различающихся как структурой организации технологического цикла, так и значениями основных технологических параметров. Так, в некоторых технических решениях одновременно с осахариванием целлюлозы осуществляют делигнификацию, для чего в реактор дополнительно подают специальный сольвент – растворитель лигнина. Гидросольвентную смесь готовят на основе серной, соляной ил фосфорной кислоты, с добавлением органических растворителей, таких как метанол, этанол, ацетон. В различных решениях применяется неорганическая кислота различной концентрации, от чего существенно зависит скорость химического процесса, которую можно также варьировать путем изменения температуры и давления внутри реактора.

Нужно иметь в виду то, что лигноцеллюлозное сырье представляет собой сложную композицию органических (и минеральных) веществ, имеющих различное молекулярное строение и, соответственно, в разной степени подверженных воздействию сольвента. При этом для каждого компонента характерен свой оптимальный набор значений технологических параметров, обеспечивающий максимальную скорость и полноту превращения. В этом плане реактор проточного типа имеют преимущество по сравнению с реактором периодического действия, поскольку позволяет создавать разные температурные условия в отдельных сечениях потока реагентов и обеспечивает возможность промежуточного отбора гидролизата легкорастворимых компонентов, а также введения свежих реагентов для смещения точки химического равновесия в отдельных частях проточной системы.

Так, например, обработку легко растворяющихся компонентов, таких как некоторые фракции лигнина, белки и экстрагируемые вещества, оптимально проводить при температуре 80-180 °С, в то время как основная часть компонентов сырья, включая, практически, все сахара гемицеллюлозы, осахариваются при температуре 160-250 °С и давлением 2-4 МПа.

В реакторе проточного типа можно предотвратить термическое разложение образовавшихся сахаров путем отбора из соответствующей секции реактора с последующим быстрым снижением температуры и испарением растворителя. Соблюдение оптимальных параметров процесса гидролиза для различных фракций исходного сырья обеспечивает выход сахаров порядка 85 % при их концентрации в растворе до 35 %.

Продолжительность технологического цикла осахаривания может составлять от нескольких минут до нескольких часов. Существенно сократить время обработки можно путем использования исходного материала с высокой степенью дисперсности. Это объясняется тем, что десятикратное уменьшение размера частиц биомассы дает стократное сокращение продолжительности теплообменных процессов.

К недостаткам гидролизного метода получения топливных спиртов следует отнести достаточно высокую удельную энергоемкость процесса, что сопряжено с потреблением значительных объемов первичного энергоносителя, который имеет, как правило, ископаемое происхождение. При том снижается конечный положительный экологический эффект от применения моторного биотоплива.

Мировое потребление моторного биотоплива с 2010 г. достигло 105 млрд. л, что составило 2,7 % от общего потребления топлива на транспорте. Доля биоэтанола составила 45 % от общего объема потребления моторного биотоплива. Лидерами в этой области являются США и Бразилия, производящие порядка 90 % возобновляемого энергоносителя этого вида. В Бразилии около 80 % автомобилей комплектуется модифицированными двигателями, предназначенными для работы как на бензине, так и на биоэтаноле.

Ректификационный процесс позволяет получать этанол с объемной концентрацией не выше 95,6 %. Соответственно, объемная доля воды при этом составляет 4,4 %. Дело в том, что такое соотношение концентраций компонентов соответствует, так называемой, «азеотропной» смеси, характерным свойством которой является невозможность дальнейшего разделения на фракции перегонкой. Изменение давления приводит не только к изменению температуры кипения, но процентного соотношения компонентов в составе азеотропов. Это их наиболее существенное отличие от чистых жидкостей.

Биоэтанол с такой концентрацией воды не соответствует требованиям европейского и американского стандартов (EN 15721 и ASTM D5501), согласно которым объемная доля этилового спирта в биоэтаноле марки Е100 должна составлять не менее 99 %. Такие жесткие требования устанавливаются в вязи с чрезвычайно высокой гигроскопичностью этанола, что может привести к накоплению водной фракции и снижению характеристик биотоплива при хранении и во время его нахождения в топливном баке. Поэтому приходится минимизировать содержание воды на этапе производства.

Для приведения данного параметра в соответствие с принятыми стандартами, полученный в результате ректификации этанол проходит технологическую операцию «абсолютизации» (осушения), которую осуществляют с применением одного из методов, традиционно используемых при осушении водных азеотропов:

  • перегонка при давлении, отличном от атмосферного (например, под вакуумом);
  • перегонка в составе тройного азеотропа, или азеотропа с большим количеством дополнительных компонентов;
  • адсорбция одного из компонентов на разветвленной поверхности твердого материала;
  • разделение на пористой мембране;
  • первапорация на непористых мембранах.

В частности, последний из перечисленных методов позволяет получать этанол с концентрацией воды на уровне долей одного процента. Первапорация представляет собой процессом, при котором поток жидкости при определенном (например, атмосферном) внешнем давлении контактирует с одной из поверхностей мембраны, в то время как на противоположной стороне с помощью вакуумного насоса или газового потока создают значительно более низкое парциальное давление для разделяемых компонентов.

В отличие от дистилляции, основанной на фазовом равновесии между паром и жидкостью, первапорации разделение компонентов происходит благодаря различию значений коэффициентов растворимости и диффузии. При этом мембрана выполняет функцию барьера между двумя фазами, а фазовый переход происходит в самой мембране. Поскольку при переходе из жидкого состояния в пар поглощается теплота парообразования, аппаратная реализация метода предусматривает подведение энергии к мембране.

Специфика применения биоэтанола

По своим физико-химическим свойствам биоэтанол соответствует условиям применения в качестве заменителя бензина и, в принципе, он может использоваться в чистом виде (марка Е100) На АЗС Бразилии биоэтанолом марки Е100 заправляют автомобили из заправочных пистолетов, обозначенных литерой «А» (пистолеты для заправки бензином обозначены литерой «G»). Одним из основных преимуществ этанола перед стандартным бензином является более высокое октановое число, что позволяет увеличить компрессию и, следовательно, мощность и КПД бензинового двигателя.

В то же время, этанол является сильным растворителем, и его присутствие в топливной системе двигателя может приводить к размягчению и повреждению резиновых и пластмассовых изделий, входящих в состав топливной арматуры, включая муфты, фильтры, насосы и т.п., существенно сокращая их ресурс.

Поэтому во многих странах биоэтанол применяют преимущественно в виде топливных смесей с бензином, в котором он полностью растворяется в любых пропорциях. Серийно выпускаемые автомобили с бензиновыми двигателями могут работать на этанол-бензиновых смесях с концентрацией этанола до 15 % без какой-либо модификации.

В таблице 3.12 приведены требования стандартов по нормам содержания основного и примесных компонентов в биоэтаноле марки Е100. На мировом рынке распространено большое количество топливных смесей на основе бензина и этанола. Обозначение марки смеси состоит из буквы «Е», за которой следует число (например, E10), обозначающее процентное содержание этанола.

Таблица 3.12 Нормируемые концентрации основного и примесных компонентов в биоэтаноле

Смеси с низким содержанием этанола (E5, E7, E10), получившие название «gasohol», могут применяться в ДВС большинства современных автомобилей без ограничений и каких либо изменений в конструкции систем двигателя. При этом следует учитывать лишь то, что этанол-бензиновые биотоплива характеризуются боле высоким октановым числом. В частности, октановое число меси E10 примерно на 2-3 единицы выше, чем у обычного бензина. Для сравнения, октановое число топливной смеси E85 примерно равно 105.

Биоэтанол марки E15 не создает каких-либо проблем при эксплуатации автомобилей, для которых производители допускают использование смеси E10, за исключением увеличения удельного расхода топлива примерно на 7,7 % из-за более низкой теплотворной способности и объемной плотности этанола.

Применение топливной смеси марок E20, E22, E25 требует определенных изменений в системах двигателя, в то время как топливные смеси марок E70, E75, E85 и E100 могут применяться только на специально разработанных и оборудованных бензиновых ДВС. Одной из проблем, испытываемых владельцами транспортных средств, является ненадежный запуск двигателя, работающего на смесях с высоким содержанием этанола, в холдное время года.

Это связано с уменьшением давления паров смеси при понижении температуры. На рисунке 3.12 приведена зависимость давления паров этанольно-бензиновой смеси от содержания в ней биоэтанола при нормальных условия. Критическим значением давления паров для обычных двигателей является 45 кПа. Это означает, что для нормальной эксплуатации двигателя на биотопливе марок выше E75 даже при теплой погоде требуется установка системы холодного пуска.

Рисунок 3.12. Схема технологического цикла производства гидролизного биоэтанола

При использовании биоэтанола марки E100 проблемы с запуском обычного двигателя начинаются уже при температуре ниже 15 °С. Одним из решений в таких случаях является установка отдельной системы запуска, работающей на бензине, поступающем из небольшого дополнительного топливного бака, после чего двигатель переводят в режим работы на биоэтанольной смеси.

В некоторых странах, таких как США топливная смесь марки E70 (и выше) в зимнее время отпускается на АЗС с уменьшенным содержанием этанола. При использовании топливной смеси марок E85 и E85 на двигателе в обязательном порядке устанавливают систему холодного пуска.

Применение биобутанола

Удельная объемная теплота сгорания этанола примерно на 1/3 меньше, чем у бензина, из-за чего удельный расход этанола оказывается больше. В некоторых областях применения, где дальность хода на одной заправке имеет приоритетное значение, этот недостаток, предполагается преодолеть путем замены этанольно-бензиновых смесей бутанольно-бензиновыми.

Бутанол, как это следует из сравнения химических формул этих двух спиртов (C2H5OH и C4H9OH), содержит меньше кислорода по отношению к углероду и водороду. Поэтому у него более высокое значение теплотворной способности. Кроме того, объемная плотность бутанола составляет 0,81 кг/л, в то время как у этанола она равна 0,79 кг/л. В силу этих причин энергетический потенциал одного литра бутанола заметно выше энергетического потенциала этанола.

Еще одним немаловажным преимуществом биобутанола является то, что он менее активен химически по отношению к компонентам топливной системы двигателя и может применяться без добавления бензина на обычных серийных бензиновых ДВС без какой-либо доработки. Биоэтанол менее гигроскопичен и не накапливает в себе воду столь же интенсивно как биоэтанол.

Использование биоэтанола в дизельных двигателях

Первоначально топливный биоэтанол предназначался исключительно для применения на бензиновых двигателях, однако было установлено, что его можно использовать и в качестве топлива дизельных ДВС. Специально для такого применения компанией SEKAB была разработана топливная смесь марки ED95, содержащая 95 % этанола и 5 % различных добавок и присадок, выполняющих функции ускорителя воспламенения, а также для подавления коррозии и улучшения смазки. Этот вид биотоплива применяется в городском хозяйстве Швеции, Италии, Бельгии, Великобритании, Испании, Норвегии с целью снижения эмиссии вредных веществ при эксплуатации городского автобусного парка.

Газовое биотопливо для двигателей внутреннего сгорания

Существуют различные способы получения газового биотоплива, пригодного для использования в ДВС. Наиболее известные способы представлены на рисунке 3.13. Получаемые при этом виды газообразных продуктов является аналогом природного газа или сжиженной пропанобутановой смеси, широко используемых в настоящее время во всем мире.

Рисунок 3.13. Технологии получения газового биотоплива

Биогаз

В зависимости от физико-химических свойств исходного сырья и специфики реализуемого производственного цикла, сбраживание биомассы влажностью 80-90 % позволяет получить биогаз, содержащий от 55 % до 75 % метана при содержании балластных (негорючих) компонентов 25-45 %, – преимущественно углекислого газа. Теплотворная способность биогаза такого состава лежит в пределах 20-30 МДж/кг и определяется концентрацией метана в его составе. Это, в среднем, вдвое меньше, чем у ископаемого природного газа.

Область применения биогаза как моторного топлива, по всей видимости, довольно ограничена и определяется экономической целесообразностью перевода некоторой части транспортных средств конкретного хозяйства на биогазовое топливо. Ввиду того, что биохимический процесс протекает очень медленно, создание бортовых генераторов биогаза, подобных газогенераторным установкам, не имеет практического смысла. Единственное приемлемое в определенны случаях решение, это использование баллонов высокого давления. В мире и России имеется положительный опыт эксплуатации городского транспорта на баллонном газе.

В случае биогаза запас хода транспортного средства вдвое меньше при прочих равных условиях, поэтому данное применение оправдано лишь на ограниченной территории. Наиболее оптимально такой вариант можно было бы реализовать на вспомогательных транспортных операциях животноводческой фермы, т. е. в непосредственной близости от биогазовых установок большой производительности, используемых в целях утилизации органических отходов предприятия.

Пиролизный (генераторный) газ

Пиролизный, или «генераторный», газ получают термическим разложением органического вещества без доступа воздуха при достаточно продолжительном воздействии высокой температуры на первичные продукты, перешедшие в паро-газовую фазу.

В качестве моторного топлива генераторный газ начали широко использовать в первой половине прошлого столетия, когда рост добычи и перегонки нефти значительно отставал от темпов развития производства автомобилей. Часто проблема дефицита жидкого моторного топлива решалась путем установки на транспортные средства газогенераторных агрегатов, работавших преимущественно на древесном топливе. В начале Второй мировой войны в Европе эксплуатировалось более миллиона транспортных единиц, оборудованных газогенераторами.

В реакторе газогенератора, где температура находится в диапазоне 800-1500 °С органические компоненты сырья разлагаются. В качестве топлива в газогенераторном реакторе, получившем название «слоевого», применялись сухие чурки лиственных пород или древесный уголь. Источником энергии, необходимой для поддержания высокой температуры в реакторе является слой, в котором происходит частичное окисление органической массы поступающим в небольших количествах кислорода воздуха. В результате сложных окислительно-восстановительных реакций в присутствии воды, являющейся неотъемлемым компонентом растительной биомассы, образуется до 85 % генераторного газа, состоящего, преимущественно из моноокиси углерода, водорода и балластных газов – углекислого газа и азота. Доля древесного угля и пиролизной жидкости составляют примерно 10 % и 5 %, соответственно.

Эффективность процесса газификации, равная отношению теплотворной способности единицы массы полученного газа к калорийности единицы массы исходного органического при использовании воздушного дутья составляет около 70 %. Путем повышения давления и применения парокислородного дутья этот показатель может быть увеличен до 90-95 %.

Из-за присутствия в генераторном газе, полученном таким методом, значительной доли балласта, калорийность генераторного газа, получаемого в таком реакторе, низкая (менее 5 кДж/кг). Это является основной причиной падения мощности ДВС примерно на 60 % при работе на генераторном газе по сравнению с обычным режимом. В современных ДВС за счет более высокой степени сжатия удается компенсировать падение мощности до величины 35 %.

Биоводород

Сегодня в массовых средствах информации часто можно встретить утверждение о том, что водородные технологии в энергетике решают проблему загрязнения окружающей среды. Действительно, при сжигании водорода в котле или камере сгорания ДВС в атмосферу не попадает двуокись углерода и другие парниковые газы, поскольку продуктом реакции водорода с кислородом воздуха является вода.

Однако, фактически, влияние водородного топлива на окружающую среду определяется на стадии его использования, а на стадии производства. Существуют различные промышленные способы получения водорода. В настоящее время объем мирового производства водорода приближается к 50 млн. т. Примерно 48 % этого объема обеспечивается за счет переработки природного газа, 30 % получают из нефти, и 18 % – из угля. При этом в атмосферу поступает большое количество СО2.

Соответственно, на долю других способов получения водорода приходится менее 5 % общего объема. К таким способам относится, например, электролиз воды. Хотя при электролизе потребляется значительное количество энергии, этот метод, казалось бы, можно было отнести к «чистым» способам производства водорода. На самом деле все зависит от того, какой первичный источник используется при выработке электроэнергии. Известно, что доля ВИЭ в мировом энергобалансе составляет примерно 2,5 %, из которых около половины покрывает биоэнергетика.

Если даже предположить, что вся биомасса энергетического назначения расходуется на электрогенерацию, то доля «зеленой» электроэнергии не превысит 0,45 % (если в оценку заложить электрический КПД порядка 30-40 %). Таким образом, найти в распределительной электросети «зеленую» энергию, чтобы произвести с ее помощью «экологически чистый» водород, практически, не представляется возможным. Поэтому при производстве биоводорода электролизным методом следует использовать электроэнергию, вырабатываемую с помощью возобновляемых источников, таких как фотоэлектрические солнечные преобразователи, ветровые и гидроэлектростанции.

В качестве одной из альтернативных технологий производства водорода рассматривают его выделение из пиролизного газа, полученного в результате термохимической переработки биомассы. Также можно получить водород известными из школьного курса физики химическими методами в реакции металла с водой (Na, K) или щелочью (Al, Si). Однако используемый при этом металл должен иметь «зеленую» природу. Такие металлы можно получить, например, из природных минералов путем восстановления углеродом, содержащимся в возобновляемом растительном сырье.

В настоящее время интенсивно ведутся исследования в области разработки биохимических способов производства водорода с помощью микроорганизмов. В частности, установлено, что некоторые бактерии (такие как Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes) вырабатывают водород как продукт жизнедеятельно сти, разлагая при этом полисахариды (целлюлозу, крахмал и т. п.). Ведутся работы по ускорению этого процесса под действием различных ферментов.

Также известно, что в условиях дефицита определенных субстратных биогенных элементов микроводоросли могут замедлять процесс фотосинтеза и начинают вместо углекислоты выделять водород. Это свойство проявляют, в частности, зеленые водоросли (например, Chlamydomonas reinhardtii).

В то же время, применение водорода, независимо от его происхождения, сопряжено с определенными техническими и организационными трудностями. Главная проблема состоит в отсутствии в настоящее время надежных бортовых накопителей достаточной емкости. Водород является одним из самых взрывоопасных газов. Считается, что он образует взрывоопасные смеси с воздухом в диапазоне концентраций от 4 % до 75 % по объему, однако согласно исследованиям конца 80-х годов он может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации.

Хотя удельная теплота сгорания водорода в расчете на единицу массы более чем в 2,6 раза превосходит теплоту сгорания бензина, ввиду его малой объемной плотности, один литр водорода при атмосферном давлении может отдать при сжигании всего лишь 10 кДж энергии, в то время как 1 л бензина при сжигании производит более 37 МДж. Если даже закачать водород в баллон под высоким давлением (20 МПа), то 1 л объема баллона будет содержать количество горючего, эквивалентное всего лишь 2 МДж.

Одним из решений задачи создания емкого водородного аккумулятора исследователь увидели в применении металлгидридной технологии, основанной на том, что некоторые металлы (в частности, магний) способны связывать водород. Так, при температуре 400-500 °С под давлением 40 МПа удается «закачать» в магний водород в количестве 6 % от массы самого металла. Также проводились эксперименты по созданию аккумуляторов на основе сплава титана и железа.

Другое, возможно перспективное, решение состоит в том, что в качестве аккумулятора водорода используют намотанный на бабину капилляр внутренним диаметром порядка 100 мкм из стекла или иного материала. Водород в в таком аккумуляторе удерживается силами поверхностного натяжения и имеет плотность, многократно превышающую плотность в баллоне высокого давления.

Так или иначе, проблема создания водородного аккумулятора остается ключевой. Кроме того, широкомасштабное освоение биоводородного топлива потребует развития соответствующей инфраструктуры.

Плазмогаз

Плазмогазом называют газообразный продукт плазмохимического разложения органического вещества, взвешенного в водной среде. Принцип получения плазмогаза поясняет схема одного из вариантов технологической установки, показанная на рисунке 3.14.

Рисунок 3.14. Установка получения плазмогаза: 1 – реактор, 2 – электродная система, 3 – гидронасос, 4 – гомогенизатор, 5 – источник напряжения, 6 – коллектор, 7 – циклон

Установка содержит герметичный реактор 1, в котором размещена система плоских электродов 2 с отверстиями. С помощью гидронасоса 3 внутрь реактора подают смесь органической массы с водой. В качестве органического вещества можт применяться практически любое углеродосодержащее возобновляемое сырье (например, растительная биомасса или отходы животноводства). Смесь предварительно проходит через гомогенизатор 4, где подвергается кавитационной обработке с целью получения ультрадисперсной взвеси под с помощью встроенного в гомогенизатор гидродинамического или/и ультразвукового устройства. Образующийся в результате плазмоимической обработки плазмогаз через коллектор 6 поступает в циклон 7 для очистки, откуда его отбирают для закачки в баллоны под давлением. Не переработанная водно-органическая взвесь возвращается в цикл прокачки через реактор.

Конверсия водно-органической смеси в плазмогаз происходит под действием электродугового разряда, возникающего в межэлектродном пространстве, где образуются нейтральные и электрически заряженные химически активные радикалы, инициирующие сложные цепные реакции разложения высокомолекулярных компонентов. Одновременно имеет место диссоциация молекул воды и взаимодействие ионов с продуктами плазмохимической деструкции органической массы. Согласно химической формуле:

C6h20O5 + h3O → 6h3 + 6CO,

при переработке смеси чистой целлюлозы и воды образовавшийся плазмогаз должен состоять из водорода и угарного газа в равных объемах, что в массовом выражении соответствует примерно 7 % h3 и 93 % CO. Однако, в зависимости от фактического компонентного состава сырья, плазмогаз может содержать различные объемные доли водорода, угарного газа и некоторых других газов. Так в результате переработки лигноцеллюлозы объемные доли газов могут колебаться в указанных ниже пределах:

h3 40-45 %

СО 55-60 %

СO2 1-2 %

Благодаря положительному балансу кислорода, при использовании плазмогаза газа такого состава в качестве моторного топлива достигается 5-кратное снижение вредных выбросов по сравнению с высокооктановым бензином.

Одним из важных преимуществ плазмогаза по сравнению с водородом является то, что он не взрывоопасен. Кроме того, он обеспечивает объемную плотность энергии на порядок выше, чем водород. Тем не менее, как и в случае водорода, отсутствие в настоящее время достаточно компактных бортовых топливных аккумуляторов ограничивает перспективы транспортного применения этого вида газового топлива.

Синтетические биотоплива для двигателей внутреннего сгорания

Данная технология, известная в мире под сокращенным названием BTL (Biofuel-to-Liquid) ставит своей целью синтез композиций углеводородов, практически полностью идентичных минеральному дизельному или бензиновому топливу по своим нормируемым физико-химическим параметрам. Для приготовления синтетических моторных биотоплив используют синтез-газ, полученный путем термического разложения возобновляемого органического сырья. Синтетические биотоплива можно производить из любого вида биомассы (древесная щепа, опил, солома, отходы растениеводства, лигноцеллюлозные отходы и т. п.).

Для получения 1 кг синтетического биотоплива требуется переработать 5-10 кг древесины. Первая стадия производственного цикла заключается в термической обработке подсушенной биомассы (содержание воды до 20 %) при температуре 400-500 °С. Затем жидкую фракцию пиролиза подвергают высокотемпературной обработке (температура в реакторе выше 1400 °С), чтобы получить синтез-газ, содержащий смесь СО и h3. После очистки от хлора и серы, синтез-газ направляют в реактор каталитического синтеза по методу Фишера-Тропша. Эти исследователи в 1920х г г. впервые показали, что из смеси моноокиси углерода и водорода на гетерогенном металлическом катализаторе (железо, кобальт) при определенном давлении образуются углеводороды. При этом на железном катализаторе реакция протекает с выделением углекислого газа, а на кобальтовом – с выделением воды:

Помимо кобальта и железа позднее стали применять никель и редкие элементы, такие как рутений. Для увеличения площади активной поверхности катализаторы наносят на пористые носители (силикагель, алюмокерамика).

Методом каталитического синтеза из смеси СО и h3 можно получить углеводороды любой молекулярной массы, вида и строения (за исключением ацетилена). При этом вероятность их образования уменьшается в ряду: метан → более тяжелые алканы → алкены. В отличие от алканов, вероятность образования нормальных алкенов, наоборот, повышается с увеличением молекулярной массы. Образованию более тяжелых продуктов также способствует повышение общего давления в реакторе. При увеличении парциального давления h3 водорода реакция смещается в сторону образования алканов.

В таблицах 3.13 и 3.14 представлен состав синтетических моторных биотоплив.

Таблица 3.13 Состав синтетического биобензина

Как видно из таблиц, технология каталитического синтеза позволяет в широких пределах управлять соотношением основных углеводородных компонентов моторного топлива.

Таблица 3.14 Состав синтетического дизельного биотоплива

Следует заметить, что синтезированные композиции органических веществ представляют собой полуфабрикат, который должен пройти последующую обработку с добавлением различных присадок с тем, чтобы все физико-химические свойства продукта строго соответствовали требованиям действующих международных стандартов. Так, например, для повышения детонационной стойкости (октанового числа) бензинов в них добавляют высокооктановые вещества, такие как алкилат, алкилбензол и т.п.

metallurgy.zp.ua

Как переделать ваш автомобиль с дизельным двигателем для работы на растительном масле?

Недавно мы купили подержанный дизельный минивэн Ford E-350 1996 года выпуска для эксперимента по установке топливной системы, работающей на отработанном растительном масле (далее биотопливе). Дополнительное оборудование называется Greasecar. Цены зависят от габаритов автомобиля. Оборудование для Dodge Ram 2002-2006 с двигателем 5.9 литра будет стоить 166 тысяч рублей. Для VW Beetle TDI 1998-2003 цена 91 916 рублей.

Американские ученые уже давно применяют растительное масло как альтернативный вид топлива, подробности здесь.

Эксперимент по переделке дизельного автомобиля под биотопливо затруднялся тем, что моторный отсек подопытного минивэна  E-35- был мал. Дополнительное оборудование Greasecar влазило туда с трудом. Если будете пытаться повторить наш эксперимент, ищите машину с подкапотным пространством посвободнее.

ВНИМАНИЕ: Отработанное растительное масло, к примеру, из ресторана быстрого питания, требует фильтрации для удаления воды и твердых частиц. Без этого система автомобиля поломается. Фильтруется через марлю, а от воды через разделительную воронку. Сначала дайте ему отстоятся. Субстанция разделится на тяжелый слой внизу - вода, и легкий слой наверху - масло. Слейте воду и получите чистый продукт. Еще можно купить фильтрующее устройство за 700 долларов, но это для слабаков.

Что нужно, чтобы дизельный автомобиль поехал на растительном масле

Чтобы заставить дизельный двигатель работать на использованном растительном масле, нужно установить параллельную топливную систему с оборудованием устойчивым к коррозийным свойствам биотоплива. Система должна быть постоянно нагрета, чтобы сохранять низкую вязкость биотоплива. Конструкция двигателя не меняется.

Установка топливной системы, работающей на растительном масле

Шаг № 1. Устанавливаем дополнительный бак для масла. Двигатель будет запускаться на дизельном топливе, и как только прогреется, контуры системы охлаждения двигателя обеспечат тепло для разогрева нашего биотоплива.

2. Устанавливаем переключатель между дизельным и органическим топливом. Переключатель нужен чтобы время от времени прочищать дизельную систему от масла, а масляную систему промывать ДТ предотвращая закоксовывание в системе при остывании автомобиля. В Ford E-350 понадобилось удалить конструкцию дизель-топливного фильтра, который расположен в V-образной впадине двигателя, так как он мешал движению биотоплива в двигатель.

3. Устанавливаем дополнительный топливный насос для биотоплива из набора Greasecar. В некоторых автомобилях, как у нашего Ford, уже есть дополнительный топливный насос и, казалось бы, можно приспособить для перекачки биотоплива его. Но наш механик говорит, что заводской, оригинальный топливный насос Ford не проработает долго, перекачивая биотопливо с его вязкостью и плотностью.

4. Проводим лини для биотоплива от бака до переключателя, включая водо -отделительный топливный фильтр с теплообменником. Масло должно быть чистым и теплым, поэтому, возможно, придется установить дополнительные теплообменники или фильтры. Где бы вы ни монтировали дополнительное оборудование, пространство под капотом, наверняка, будет ограничено, поэтому запаситесь набором правильных автомобильных ключей, облегчающим доступ в труднодоступные места.

5. Подключаем автоматический или ручной переключатель выбора топлива. Еще понадобятся датчики давления, датчики температуры биотоплива и его уровня в баке. Выпустите воздух из обеих топливных систем и системы охлаждения; опробуйте «растительную» систему сначала на дизельном топливе. Если все работает, заливайте во второй бак очищенное масло и катайтесь на здоровье. 

У нас все получилось.

Перспективы растительного масла как у альтернативного вида топлива в автомобилях

Пару лет назад в это слабо вверилась, но описанный эксперимент показывает, что вымысел фантастов материализуется. Все начиналось еще в далеком 1916 году с первого электромобиля Owen Magnetic, в перспективы которого никто не верил. Становимся ли мы свидетелем прихода нового альтернативного источника топлива будет известно чуть позже. Пока, общими усилиями наш Ford приведен к рабочему состоянию и докатил нас на отработанном растительном масле до редакции магазина автозапчастей Zap-Online.ru. Мы проехали на биотопливе ломая стереотипы о его применении в автомобиле.

Пара фактов о растительном биодизеле в нашей жизни:

В подтверждение удачи нашего эксперимента, вот видео о том, как вышеописанную идею реализовали в Украине:

zap-online.ru

Основные типы двигателей: на биотопливе

Одной из главных тенденций в конструировании современных автомобильных двигателей является улучшение их экологических характеристик. В этом плане одним из лучших вариантов является двигатель, работающий на биотопливе, наиболее популярным видом которого является биоэтанол.

Биоэтанол представляет собой этиловый спирт, который получают путем переработки растительного сырья. Основным источником для его производства становятся богатые крахмалом кормовые культуры.

Часть 1: Основные типы двигателей: бензиновый. Часть 2: Основные типы двигателей: дизельный. Часть 3: Основные типы двигателей: тяговый электродвигатель.

Одной из главных тенденций в конструировании современных автомобильных двигателей является улучшение их экологических характеристик. В этом плане одним из лучших вариантов является двигатель, работающий на биотопливе, наиболее популярным видом которого является биоэтанол.

Биоэтанол представляет собой этиловый спирт, который получают путем переработки растительного сырья. Основным источником для его производства становятся богатые крахмалом кормовые культуры.

Особенности двигателя на биотопливе

Необходимо отметить, что на данный момент практически не идет речи о двигателе, который бы полностью работал на биоэтаноле. Это объясняется целым рядом объективных ограничений, для преодоления которых еще не найдено эффективных решений.

На сегодняшний день биотэанол применяется для заправки автомобилей, главным образом, в смеси с традиционными видами топлива – бензином и соляркой. Работать на таком топливе могут только транспортные средства с двигателем типа FFV (Flexible-fuel vehicle – гибкий выбор топлива).

Мотор типа FFV представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который имеет некоторые отличия от традиционных двигателей. Так, основными отличительными особенностями являются:

  • наличие специального датчика кислорода;
  • применение особого материала для изготовления ряда прокладок;
  • программное обеспечение ЭБУ, позволяющее определять процент содержания спирта в топливе и соответствующим образом корректировать работу мотора;
  • некоторые изменения в конструкции для увеличения степени сжатия, что необходимо в связи с более высоким октановым числом этанола, по сравнению с бензином.

Сегодня автомобильное топливо с содержанием биоэтанола пользуется достаточно высокой популярностью в целом ряде стран. Лидерами здесь выступают США и Бразилия. В Бразилии сегодня практически невозможно купить бензин, в котором содержание биоэтанола было бы менее 20 %. Популярна данная технология и в ряде стран Европы, особенно в скандинавских странах.

Преимущества и недостатки

Биоэтанол как топливо имеет как существенные преимущества, так и существенные недостатки. Основные плюсы биотоплива относятся, прежде всего, к экологическим показателям.

Биоэтанол – это нетоксичный вид топлива, который полностью растворяется в воде. При его сгорании не образуется опасных для окружающей среды и здоровья людей соединений. Добавление биоэтанола в бензин позволяет сократить количество вредных выбросов до 30 % и более. Кроме того, биоэтанол производится из натурального возобновляемого сырья. Зачастую он является побочным продуктом безотходного производства других видов продукции.

Кроме того, благодаря высокому октановому числу применение биоэтанола позволяет улучшить некоторые характеристики двигателя внутреннего сгорания. В том числе увеличивается его КПД.

Одним из основных недостатков биотоплива является его неустойчивость к низким температурам. На морозе он может расслаиваться с образованием пленки из парафинов на поверхности. Это обуславливает затрудненный пуск в зимний период. Для преодоления этого недостатка приходится оснащать автомобили подогревателем топлива или небольшим бензобаком, предназначенным специально для холодного пуска.

Еще один важный недостаток заключается в слабой теплотворной способности. При сгорании биоэтанола выделяется на 37-40 % меньше тепловой энергии, по сравнению с традиционными видами автомобильного топлива. Это ощутимо ограничивает мощностные характеристики двигателя.

Двигатели на биотопливе имеют существенные преимущества, но им есть куда развиваться.

cnev.ru


Смотрите также

Возврат к списку