Альтернативные моторные топлива для АПК из биологического сырья Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 662.6

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МОТОРНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ АПК ИЗ БИОЛОГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

Булеков Никита Олегович, аспирант, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К. А. Тимирязева», г. Москва, РФ.

Аннотация: В статье рассмотрены вопросы потребления нефти в России, а также ее влияние на состояние экологии. Приведены примеры использования растительных масел в качестве биотоплива. Рассмотрен процесс производства биодизеля из рапсового масла. Представлен экономический эффект от применения биотоплива из растительных масел.

Ключевые слова: биодизель; бензины; моторные топлива; растительные масла; рапсовое масло; метиловый эфир.

ALTERNATIVE MOTOR FUEL FOR AGRICULTURE FROM RENEWABLE RAW MATERIALS

Bulekov Nikita Olegovich, postgraduate student, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Russian Timiryazev State Agrarian University», Moscow, Russia.

Summary: In article questions of consumption of oil in Russia, and also its influence on an ecology condition are considered. Examples of use of vegetable oils as biofuel are given. The biodiesel production process from rape oil is considered. Economic effect of use of biofuel from vegetable oils is provided.

Keywords: biodiesel; gasoline; motor fuel; vegetable oil; rapeseed oil; methyl ester.

Каждый год на сельскохозяйственных предприятиях нашей страны потребляется около 5,5 млн тонн дизельного топлива и 2 млн тонн автомобильных бензинов, получаемых из нефти. По прогнозным данным в ближайшие 20...25 лет ожидается снижение добычи нефти [1].

К тому же обостряются экологические проблемы, связанные с использованием традиционных нефтяных моторных то-плив. В общем балансе загрязнений окружающей среды доля двигателей внутреннего сгорания превышает 70 %.

Ориентация отечественной нефтяной

отрасли на экспортные поставки, увеличение цен на моторное топливо в 5 раз за последние 5 лет привели к росту затрат на топливо в себестоимости сельскохозяйственной продукции в 3,7...4,7 раза [1].

В сельскохозяйственном производстве приоритет принадлежит биотопливу на основе растительных масел для дизельных двигателей - биодизельному топливу. Оно используется на практике в ряде стран как альтернатива обыкновенному дизелю. Лидером в этой области является Германия. Она производит 1300 тыс. тонн биодизельного топлива в год. Во Франции

выпускают около 780 тыс. тонн, в Польше - 230 тыс. тонн. Интерес к этому виду топлива проявляют и в России [2].

Биодизельное топливо на основе растительных масел может производиться из более 50 масличных культур. Растительные масла также можно использовать в качестве дизельного топлива. В этих случаях необходима либо очистка их от примесей путем фильтрации и центрифугирования, либо рафинация жиров.

По элементному составу растительные масла близки друг к другу, а от нефтяного топлива отличаются присутствием кислорода. Недостатками растительных жиров как топлива по сравнению с нефтепродуктами являются их меньшая теплота сгорания (на 7...10 %), более высокая вязкость (в 6 и более раз), повышенная склонность к нагарообразованию, низкая испаряемость и т. д. (табл. 1). Поэтому большинство современных дизельных двигателей

Показатели топлива на основе н

могут работать на чистых растительных маслах лишь небольшое время.

Одним из способов устранения указанных выше недостатков растительных масел является их химическая переработка, позволяющая получать продукты со свойствами полностью отличными от исходного сырья - переэтерификация (производство биодизеля).

Процесс производства биодизеля из масла несложен. В очищенное от механических примесей масло добавляют метиловый спирт и щелочь, которая служит катализатором реакции переэтерификации. Смесь нагревают до температуры 50°С. После отстоя и охлаждения жидкость расслаивается на две фракции - легкую и тяжелую. Легкая фракция представляет собой метиловый эфир, или биодизель, тяжелая - глицерин. По своему молекулярному составу биодизель близок к дизельному топливу [2].

Таблица 1 фтяного и растительного сырья

Показатели Рафинады растительных масел Дизельное топливо

подсолнечное соевое рапсовое хлопковое пальмовое

Плотность кг/м3 924 923 915 916 913 839

Вязкость мм2/с, 20 оС 63 25 77 84 - 4

Низшая теплота сгорания, МДж/л 36 39 37,2 34 38 42

Цетановое число 32 21 41 41 - 50

Температура вспышки, °С 320 220 305 318 295 60

Температура застывания, °С -16 -11 -18 -4 -8 -22

Содержание серы, % 0,005 0,005 0,005 - - 0,5

Исходя из стоимости, доступности и физико-химических характеристик, наиболее подходящим для производства то-

плива является рапсовое масло, которое может быть использовано в качестве основы или компонента топлива.

Простой и доступный способ использования рапсового масла - разбавление его дизельным топливом. Данная смесь получила название биодизельной. Экспериментальными исследованиями отечественных и зарубежных ученых установлено, что с ростом содержания рапсового масла в биодизельной смеси продолжительность ее сгорания увеличивается и при содержания масла более 60 %, процесс сгорания не успевает закончиться к моменту открытия выпускного клапана двигателя. Для уменьшения обшей продолжительности сгорания в биодизельную смесь вводят активаторы сгорания,

Физико-химические

например, органическое соединение железа - ферроцен.

Биотопливо из рапсового масла используется в качестве моторного топлива в двух вариантах:

1. Смесевое топливо, состоящее из смеси рапсового масла (РП) с дизельным топливом;

2. В виде метилового эфира рапсового масла (МЭРМ), получаемого при метано-лизе рапсового масла.

Смесевое топливо по сравнению с МЭРМ имеет следующие преимущества: простая технология получения, реализуемая в сельскохозяйственном предпри-

Таблица 2

показатели топлива

Показатели Рапсовое масло Смесь РП и дизельного топлива (75:25) Дизельное топливо (Л/З)

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 37,2 38,3 41,8

Плотность, кг/м3 (15 °С) 915 890 863,4/843,4*

Вязкость, мм2/с (20 °С) 78 38,2 3-6/1,8-5*

Температура, °С:

помутнения -9 -9 -5/-25

застывания -18 -16 -10/-35

Цетановое число 41 42 45*

Йодное число, г на 100 г топлива 9,7...10,3 9,0 6,0*

Кислотность, мг КОН на 100 см3 6,1 6,0 5,0*

Температура воспламенения, °С 593 583 543*

Содержание по массе, % :

углерода 78,3 80,3 86,4

водорода 12,8 12,95 12,1

кислорода 8,895 6,52 0

Коксуемость 10%-ного остатка, %, не более 0,43 0,4 0,2*

Массовая доля серы, % 0,05 0,16 0,01*

* - в соответствии с требованиями ГОСТ 305-2013

ятии без накладных расходов; высокая стабильность в хранении, растворении на молекулярном уровне.

Сравнительные физико-химические характеристики рапсового масла, смесевого и дизельного топлив приведены в табл. 2.

По сравнению с дизельным топливом у чистого рапсового масла плотность больше на 9 %, вязкость выше в 25 раз, содержание серы меньше в 10 раз, температура застывания выше на 17 °С по сравнению с зимним топливом и на 10 °С ниже летнего дизельного топлива. Смесевое топливо по физико-химическим показателям занимает промежуточное положение [2].

Большая вязкость чистого рапсового масла осложняет его применение в двигателях, однако при повышении температуры до 70...90 °С его вязкость снижается до значений, близких к вязкости дизельного топлива.

Метиловый эфир рапсового масла по

своей физико-химической характеристике ближе к дизельному топливу и при его использовании не нужен подогрев топлива, в меньшей степени образуются отложения на деталях цилиндропоршне-вой группы. Качество метиловых эфиров рапсового масла нормируется европейским стандартом ЕК 14.214.2003 (ЕС).

Учитывая мировой опыт использования биотоплива в виде МЭРМ, представляет интерес рассмотреть технологическую схему, баланс энергии и массы при производстве смесевого топлива и метилового эфира рапсового масла. Технологическая схема и баланс энергии при производстве биологического смесевого топлива представлена на рис. 1.

Значения баланса массы и энергии продукции с 1 га посева рапса приведены для урожайности семян 25 ц/га и 30 % отжиме масла из семян. В данном случае потребляемая энергия солнца равна 36000

Рис. 1. Технологическая схема и баланс энергии и массы при производстве смесевого биотоплива с 1 га

ГДж, затраты технических средств на выращивание рапса 15 ГДж. Энергоемкость полученных 2,5 т семян рапса составляет 61 ГДж, 4,7 т рапсовой соломы содержат 64,9 ГДж.

После экструдирования семян получается 750 кг масла с энергоемкостью 29,3 ГДж и 1750 кг шрота с энергоемкостью 31,7 ГДж. На прессование расходуется 3,4 ГДж энергии. Для приготовления смесе-вого биодизельного топлива (75 % рапсового масла и 25 % дизельного топлива) расходуется 250 кг дизельного топлива с энергоемкостью 10,5 ГДж. В итоге получаем 1 тонну смесевого топлива энергоемкостью 39,8 ГДж.

Баланс энергии при пр

Рапсовое масло после отжима в количестве 750 кг рафинируется с затратами энергии 27,8 ГДж, после рафинирования количество масла уменьшается до 712 кг с энергоемкостью 27,8 ГДж.

МЭРМ получается при взаимодействии рапсового масла с метанолом в присутствии катализаторов гидроокиси калия (КОН) и фосфатида (Н3РО4). На 712 кг масла необходимо 86 кг метанола и 38 кг катализатора и затраты энергии 1,2 ГДж.

Кроме 715 кг МЭРМ с энергосодержанием 28 ГДж при метанолизе получаем 83 кг глицерина. Энергобаланс при производстве смесевого биотоплива и МЭРМ показан в табл. 3 [4].

Таблица 3

изводстве биотоплива

Смесевое топливо

Затраты энергии, ГДж 28,2

Выход энергии, ГДж:

по топливу 39,8

по топливу и шроту 71,5

по топливу, шроту и соломе 136,4

Метиловый эфир рапсового масла

Затраты энергии, ГДж 47,75

Выход энергии, ГДж:

по топливу 28,0

по топливу и шроту 61,15

по топливу, шроту и соломе 126,0

При смесевом топливе с одного гектара площади по топливной составляющей получается 39,8 ГДж при затратах энергии 28,9 ГДж.

В варианте МЭРМ топливная составляющая равна 28 ГДж, т. е. меньше на 42 %. Однако в этом варианте дополнительно получается 83 кг глицерина.

Учитывая больший выход энергии по топливной составляющей у смесевого топлива по сравнению с вариантом МЭРМ, более простую и дешевую технологию его получения в ВИМе проведены комплексные исследования по смесевому топливу с различным содержанием рапсового масла. Исследования проводились на двига-

теле Д-240 Минского моторного завода. При работе двигателя на биотопливе с содержанием масла от 0 до 100 % было установлено, что оптимальным составом смесевого топлива по параметрам рабочего процесса является содержание 75% рапсового масла.

Экологические показатели двигателя свидетельствуют о снижении токсичных выбросов при работе на биотопливе. Окись углерода на всех режимах по нагрузке снижается примерно в 2 раза, выбросы углеводородов СН также ниже в 2 раза, твердые частицы (дымность) на режиме максимальной нагрузки меньше в 2 раза, на режиме малой нагрузки дымность снижается до 0. Исключение составляют окислы азота N0^ выбросы которых при работе на биотопливе возрастают на 8 % при максимальной нагрузке. Это связано с наличием связанного кислорода в биотопливе. Полученные данные о значительном снижении выбросов токсичных веществ подтверждаются результатами исследований зарубежных специалистов. Следует отметить, что основным стимулирующим фактором применения биото-плив за рубежом является улучшение экологических показателей [1, 5, 6].

Адаптация топливной системы транспортного средства к работе на смесевом топливе сводится к установке небольшого по размерам дополнительного бака для дизельного топлива, необходимого для запуска двигателя при низких температурах и работы в период прогрева двигателя. Кроме того, требуется установка трехходового крана для переключения с одного топлива на другое.

Наибольший экономический эффект использования биотоплива в сельском хозяйстве обеспечивается при внутрихозяйственном способе производства его.

С этой целью в Опытном проектно-кон-структорско-технологическом бюро Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологического института животноводства была разработана и изготовлена малотоннажная установка по производству биотоплива для малого сельскохозяйственного предприятия.

Учеными МГАУ имени В. П. Горячкина были проведены исследования по замене дизельного топлива на биодизельную смесь (при соотношении в ней компонентов 1:1). По результатам исследований, существенно улучшились экологические качества двигателя. Выбросы оксидов азота на номинальном режиме работы двигателя сократились на 15.. .20 %, сажи на 30.35 %, оксидов углерода и углеводородов на 10...15 % [8].

Результаты исследований показали, что производство рапсового масла является экономически оправданным. Часть затрат на его производство покрывается прибылью, полученной от реализации побочной продукции.

Экономический эффект при использовании альтернативного топлива достигается не только за счет изменения стоимости топлива, но и за счет снижения антропогенного воздействия на окружающую среду эмиссией двигателя, а так же изменением уровня шума [9, 10].

Россия, как и многие промышленно развитые страны, подписала Киотское соглашение об ограничении выбросов углекислого газа в атмосферу для предотвращения парникового эффекта. Биодизельное топливо сгорает практически без токсических отходов (сера, свинец), количество копоти уменьшается вдвое, снижается выделение углекислоты. Пролитое на землю биотопливо через три недели на 90 % разлагается микроорганизмами [11].

Биодизельное топливо можно заливать в бак, как в чистом виде, так и в качестве добавки к дизельному топливу (биодизельная смесь) в соотношении от 5 до 35 % от объема. При этом, как утверждает большинство специалистов, никакой модификации обычного дизельного двигателя не требуется. Ученые свидетельствуют, что мощность двигателя при работе на биодизеле несколько снижается, и как следствие, на 5...8 % увеличивается расход горючего. Однако с помощью регулировки мощность мотора можно восстано-

вить. Ресурс двигателя при использовании биодизеля не меняется. Биодизель имеет хорошие смазывающие свойства, чем выгодно отличается от солярки. Он продлевает жизнь двигателя, удаляя отложения нефтепродуктов на его деталях [12].

Но у биодизеля есть недостатки, одним из которых является агрессивность к резиновым деталям двигателя. С целью адаптации двигателей к использованию биотоплива производителям необходимо внести в них конструктивные изменения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белов М. Б., Варанкин М. В., Новицкий Я. Ю. Моторное топливо XXI века // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 6 (42). - С. 14-19.

2. Перский С. Н., Беляев С. В., Селиверстов А. А. К вопросу развития энергосберегающих и экологически чистых технологий на транспорте // Инновационное развитие. - 2016. - № 4 (4). - С. 12-14.

3. Гафуров Н. М., Хисматуллин Р. Ф. Преимущества биодизельного топлива // Инновационная наука. - 2016. - № 5-2 (17). - С. 72-74.

4. Марков В. А., Девянин С. Н., Улюкина Е. А., Пуляев Н. Н. Использование смесей дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла в качестве моторного топлива // Грузовик. - 2016. - № 1. - С. 37-48.

5. Нагорнов С. А., Зазуля А. Н., Романцова С. В. О молекулярном составе биодизельного топлива // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. -2013. - № 3. - С. 70-73.

6. Емельянов В. Е. Решение экологических проблем автотранспорта // Экология и промышленность России. - 2005. - № 4. - С. 36-37.

7. Емельянов В. Е., Туровский Ф. В. Реализация европейских программ по снижению вредных выбросов // Грузовое и легковое автохозяйство. - 2001. - № 11. - С. 37-40.

8. Малашенков К. А. Экономическая эффективность возделывания рапса в России // Экономические проблемы совершенствования деятельности предприятий АПК: Сборник научных трудов. - М. : Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина, 2000. - С. 38-44.

10. Савельев Г. С., Краснощеков Н. В. Биологическое моторное топливо для дизелей на основе рапсового масла // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2005. - №

10. - С. 11-16.

11. Систер В. Г., Иванникова Е. М., Ямчук А. И. Технологии получения биодизельного топлива // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. - 2013. - № 3 (17). Том 2. - С. 109-112.

12. Шилова Е. П. Биотопливо для мобильной сельскохозяйственной техники из воз-

обновляемых источников энергии // Альтернативные виды топлива: производство и использование. - М. : Росинформаготех, 2007. - С. 38-45.

13. Богданов В. С., Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Технологии и средства обеспечения качества топливно-смазочных материалов в АПК. - М.: ООО «УМЦ «Триада», 2016.

- 116 с.

REFERENCE

1. Belov M. B., Varankin M. V., Novitskiy Ya. Yu. Motornoe toplivo XXI veka // Transport na al'ternativnom toplive. - 2014. - № 6 (42). - S. 14-19.

2. Perskiy S. N., Belyaev S. V., Seliverstov A. A. K voprosu razvitiya energosberegayushchikh i ekologicheski chistykh tekhnologiy na transporte // Innovatsionnoe razvitie. - 2016. - № 4 (4). - S. 12-14.

3. Gafurov N. M., Khismatullin R. F. Preimushchestva biodizel'nogo topliva // Innovatsionnaya nauka. - 2016. - № 5-2 (17). - S. 72-74.

4. Markov V. A., Devyanin S. N., Ulyukina E. A., Pulyaev N. N. Ispol'zovanie smesey dizel'nogo topliva i metilovogo efira podsolnechnogo masla v kachestve motornogo topliva // Gruzovik. - 2016. - № 1. - S. 37-48.

5. Nagornov S. A., Zazulya A. N., Romantsova S. V. O molekulyarnom sostave biodizel'nogo topliva // Vestnik Michurinskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2013. - № 3.

- S. 70-73.

6. Emel'yanov V. E. Reshenie ekologicheskikh problem avtotransporta // Ekologiya i promyshlennost' Rossii. - 2005. - № 4. - S. 36-37.

7. Emel'yanov V. E., Turovskiy F. V. Realizatsiya evropeyskikh programm po snizheniyu vrednykh vybrosov // Gruzovoe i legkovoe avtokhozyaystvo. - 2001. - № 11. - S. 37-40.

8. Malashenkov K. A. Ekonomicheskaya effektivnost' vozdelyvaniya rapsa v Rossii // Ekonomicheskie problemy sovershenstvovaniya deyatel'nosti predpriyatiy APK: Sbornik nauchnykh trudov. - M. : Moskovskiy gosudarstvennyy agroinzhenernyy universitet im. V. P. Goryachkina, 2000. - S. 38-44.

10. Savel'yev G. S., Krasnoshchekov N. V. Biologicheskoe motornoe toplivo dlya dizeley na osnove rapsovogo masla // Traktory i sel'skokhozyaystvennye mashiny. - 2005. - № 10.

- S. 11-16.

11. Sister V. G., Ivannikova E. M., Yamchuk A. I. Tekhnologii polucheniya biodizel'nogo topliva // Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta MAMI. -2013. - № 3 (17). Tom 2. - S. 109-112.

12. Shilova E. P. Biotoplivo dlya mobil'noy sel'skokhozyaystvennoy tekhniki iz vozobnovlyaemykh istochnikov energii // Al'ternativnye vidy topliva: proizvodstvo i ispol'zovanie. - M. : Rosinformagotekh, 2007. - S. 38-45.

13. Bogdanov V. S., Pulyaev N. N., Korotkikh Yu. S. Tekhnologii i sredstva obespecheniya kachestva toplivno-smazochnykh materialov v APK. - M.: OOO «UMTs «Triada», 2016. -116 s.

Материал поступил в редакцию 12.01.2017

© Булеков H. О., 2017