Биоэнергетика транспорта Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Биоэнергетика транспорта

В.М. Фомин, профессор РУДН, д.т.н., Д.В. Шевченко, аспирант РУДН

Обсуждается проблема поиска альтернативных путей энергетического обеспечения транспортного комплекса. Обосновывается эколого-экономическая целесообразность перевода энергетических установок транспортных средств на питание топливом, произведенным из биомассы. Приведены результаты экспериментальных исследований способов рационального использования некоторых биологических энергоносителей в качестве частичных заменителей нефтяного топлива.

Ключевые слова: альтернативные энергоносители, биологический вид топлива, альтернативная транспортная энергетика, топливо из твердой биомассы, газификация, топливо из масличных культур, биотопливо, экологические показатели.

Transport bioenergetics

V.M. Fomin, D.V. Shevchenko

The problem of search of alternative ways of power maintenance of a transport complex is discussed. Environmental-economic feasibility of transfer of the power equipments of vehicles on use of the fuel made from a biomass is proved. The results of experimental researches of ways of rational use of some biological energy carriers as partial substitutes of oil fuel are resulted.

Keywords: alternative energy carriers, biological kind of fuel (biological fuel), alternative transport energy, the fuel from a solid biomass, gasification, fuel from oil-bearings, biofuel, ecological indicators.

В настоящее время энергетические потребности в сфере автотранспортного комплекса практически полностью удовлетворяются за счет ископаемых топлив, главным образом - нефтяных. Однако в связи с постоянным истощением мировых запасов нефти, удорожанием ее добычи и использованием как ценнейшего химического сырья другими отраслями народного хозяйства становится очевидным, что в обозримый период этот источник энергоснабжения будет частично или полностью исчерпан [1].

Многие предприятия транспорт-но-технологического комплекса, расположенные в отдаленных от центра регионах, уже сейчас испытывают серьезные экономические и технологические трудности в обеспечении их необходимым количеством топлива

для бесперебойной работы техники. Наиболее простым и эффективным практическим решением этой проблемы является перевод основных потребителей нефтяного топлива на другие виды энергоносителей, например, биологические источники энергии.

Весьма важно и то обстоятельство, что использование биомассы в качестве источника моторного топлива способствует решению глобальной экологической проблемы. Биологическое топливо позволяет сохранить баланс углекислого газа в атмосфере, так как выбросы при его сжигании сопоставимы с количеством углекислого газа, поглощаемого при выращивании биосырья в процессе фотосинтеза. При этом считается, что любой вид биологического топлива

для транспорта может рассматриваться как перспективный с учетом ряда обязательных условий:

• наличия и доступности сырьевых ресурсов;

• максимально низкой стоимости технологий и оборудования для производства топлива в коммерческих объемах, в том числе и для его транспортировки, хранения и распределения;

• обеспечения высоких потребительских качеств и, в частности, мощностных и экономических параметров энергоустановки;

• экологической безопасности топлива как при производстве, транспортировке, хранении и заправке, так и при его сгорании в двигателях.

К настоящему времени исследовано множество различных видов биологических энергоносителей и способы их применения в транспортных энергоустановках, которые позволяют заменять традиционные топлива и по-разному влияют на их топливно-экономические показатели и экологические качества.

Для объективного определения экологически наиболее безопасного и экономически более выгодного биологического топлива для транспортного ДВС нельзя опираться только на информацию об его свойствах. Для обоснованного выбора необходима уточненная оценка эколого-экономических качеств двигателя, работающего на данном топливе. В большинстве случаев для удовлетворения условиям рабочего цикла ДВС отдельные виды биологических источников энергии целесообразно подвергать соответствующей химической (термохимической) переработке.

Моторные топлива из твердой биомассы

Твердая биомасса, например, древесина - древнейший источник энергии. Ее сырьевая база практически неисчерпаема. В настоящее время во многих странах проводится активный

поиск возможностей использования местных источников энергии на основе твердой биомассы и создания технических систем для выработки из них моторных топлив [1]. При этом с учетом региональных условий могут быть использованы следующие сырьевые источники энергии: древесина, торф, растительные отходы (солома, опад древесного листа, камыш, тростник, стебли кукурузы), отходы агропромышленных предприятий, перерабатывающих зерновые и технические культуры (хлопок, подсолнечник, лен и др.), отходы лесной и деревоперерабатывающей промышленности (опилки, стружка, кора, щепа, мелкие ветки) и т.д.

Наиболее известны и технологически отработаны методы получения моторного топлива из твердой биомассы путем ее газификации. Работы по газификации твердых видов биомассы (в частности, древесины) и использованию их в качестве моторного топлива начались в России еще в двадцатые годы прошлого столетия. К настоящему времени созданы опытные образцы газогенераторных систем, которые по результатам испытаний подтвердили возможность организации эффективной газификации биомассы.

Применение на отечественных автотранспортных средствах (АТС) продуктов газификации биомассы особенно актуально для регионов, обладающих на своей территории большими запасами растительной массы и имеющих сеть предприятий по их переработке (древесина, кукуруза, соя и т.д.). При этом все биологические источники энергии относятся к виду ежегодно возобновляемых энергоресурсов, что позволяет для каждого региона, отдаленного от традиционных мест добычи и переработки нефти, создать устойчивую топливно-энергетическую базу, практически не зависящую от привозного углеводородного топлива.

Газообразные продукты, синтезированные из биомассы, могут

использоваться в двигателях в качестве как основного топлива (газовый вариант двигателя), так и частичного заменителя жидкого углеводородного топлива (двигатели, работающие на двухкомпонентном топливе).

Следует отметить одну из важных особенностей использования продуктов газификации твердой биомассы в качестве топлива для энергетических установок АТС. Известные способы газификации древесины обеспечивают достаточно высокое содержание (до 12 % и выше) в генераторном газе высокоактивного химического реагента - водорода. Столь высокое содержание в синтезированном газе водорода позволяет рассматривать его не только как дополнительный энергетический компонент основного (жидкого) топлива, но и как эффективный физико-химический «инструмент» воздействия на кинетические и экологические показатели процесса сгорания в двигателе.

С учетом высокой реакционной способности химически не связанного водорода, которая проявляется им в реагирующей углеводородной среде, в рамках рабочей гипотезы следует отметить, что в сложном комплексе воздействия этого газа на внутрици-линдровые процессы двигателя наибольший интерес представляет ряд факторов, оказывающих влияние на экологические качества его рабочего цикла.

В присутствии добавленного к заряду водорода вследствие расширения пределов самовоспламенения топливно-воздушной смеси и дополнительного вовлечения в этот процесс зон с обедненным и богатым составами происходит уменьшение концентрационной и температурной неоднородности рабочего тела и, как следствие, снижение выхода оксидов азота с продуктами сгорания. Кроме того, водород участвует в качестве реагента в реакции восстановления N0 ^N0 ^ N + О2), что способствует дополнительному снижению

результирующего выхода оксидов азота в процессе сгорания [2].

К факторам, способствующим уменьшению содержания сажи в продуктах сгорания двигателя, относятся: ингибирование водородом образования зародышей сажевых частиц, замедление поверхностного роста частиц сажи (водородное торможение по Лангмюру), интенсификация выгорания твердых частиц в присутствии свободного водорода(по схеме реакции «мокрой газификации») [2].

Рассмотренное выше предполагаемое проявление воздействий свободного водорода на физико-химическое формирование токсических веществ в процессе сгорания углево-дородно-воздушной среды заимствовано из известных положений классической теории химической кинетики. В специфических условиях рабочего процесса дизеля отдельные эффекты этих воздействий могут, очевидно, проявляться в большей или меньшей степени. Однако при этом качественная сторона этих воздействий должна сохраниться, обусловливая тем самым возможность снижения в составе продуктов сгорания основных токсических компонентов, что и было подтверждено результатами эксперимента.

В рамках совместной научно-поисковой программы РУДН и МГТУ им. Н.Э. Баумана проведены исследования топливно-экономических и экологических показателей дизеля типа 2Ч 8,5/11 при его работе на дизельном топливе с добавлением к воздушному заряду водородосодержащих продуктов газификации древесины [3].

Для исследований был создан опытный образец газогенераторной установки. Для повышения содержания в энергетическом газе водорода, а также для снижения тепловой напряженности конструкции газогенератора использовался дополнительный реагент - вода (водяной пар). Таким образом, в термохимическом цикле переработки древесины предусматривалась возможность

»ЮПФйявби

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (24) декабрь 2011 г.

комбинированного взаимодействия с углеродом исходного продукта двух различных по своим физико-химическим свойствам реагентов: кислорода воздуха (экзотермический реагент, реагирующий с древесным углеродом с выделением теплоты) и водяного пара (эндотермический реагент, взаимодействующий с углеродом с поглощением теплоты).

Существенное влияние на компонентный состав газогенераторного газа оказывают конструкция реактора и способ организации в нем термохимического преобразования твердого топлива. Наибольшее распространение в промышленных (стационарные) газогенераторных установках имеет так называемый прямой процесс, предусматривающий подачу воздуха в реакционное пространство через нижнюю зону реактора с выходом энергетического газа через верхний отводящий канал.

В последние годы созданы малогабаритные образцы генераторов, работа которых реализуется на основе обращенного процесса газификации. Генератор такого типа использовался при исследованиях. Принципиальное отличие данного газогенератора заключается в том, что воздух поступает в реакционную камеру сверху и проходит слои газифицируемого твердого топлива, двигаясь к низу реактора, откуда и отбираются продукты окончательной газификации топлива.

Преимущества такого способа газификации заключаются в использовании твердых топлив, содержащих смолы, а сам процесс отличается возможностью загрузки топлива при совместной работе генератора с потребителем. Способ допускает использование различных твердых биомасс с любой степенью измельченности.

Предварительные исследования показали, что опытный генератор может работать как при принудительной подаче в реакционную камеру воздуха от вспомогательного нагнетателя, так и при самостоятельном поступлении воздуха в реактор за счет

разряжения, создаваемого поршневым двигателем во впускном трубопроводе (куда и подавался генераторный газ) на такте впуска.

Экспериментальная установка (моторный стенд) с дизелем 2Ч 8,5/11 оснащалась штатными приборами и устройствами для измерения и регистрации параметров работы дизеля и включала следующие дополнительные системы:

• газогенераторную систему для преобразования древесины в газовую смесь (энергетический газ) и подачи ее во впускной тракт двигателя;

• систему охлаждения и очистки генераторного газа.

Очистка синтезированного газа подразделялась на две стадии: грубую (предварительная) и тонкую (окончательная). Для грубой очистки использовался двухступенчатый фильтр циклонного типа (степень очистки 90 %). Фильтр тонкой очистки предназначался для окончательной очистки генераторного газа от водяных паров и мелких примесей перед его поступлением в систему питания двигателя. Система охлаждения, содержащая два теплообменника, обеспечивала снижение температуры генераторного газа практически до уровня температуры моторного помещения.

Запуск (розжиг) генератора проводился до пуска двигателя с помощью запального устройства факельного типа, при этом воздух для организации процесса преобразования древесины подавался нагнетателем с электроприводом в течение всего периода прогрева реакционной камеры и выхода ее на рабочий температурный режим.

Перед пуском дизеля в условиях автономной работы газогенераторной установки проводился контрольный анализ состава генераторного газа с использованием газоанализатора «Газохром-3101». В течение всего цикла моторных исследований состав генераторного газа по отдельным его компонентам изменялся (в зависимости от режима работы дизеля

и производительности реактора) в следующих пределах (%): СО - 18...20; Н2 - 12.17; СН4 - 2,5.3,0; О2 - 0,4.0,6; СО2 - 8.12; N - 55.58. При этом показатель энергетических качеств (теплота сгорания) генераторного газа варьировался в пределах 5,0.6,3 МДж/м3.

По результатам наблюдений выявлено, что функциональные возможности опытной моторной установки, работающей совместно с газогенератором, допускают изменение энергетически выгодного содержания генераторного газа в воздушном заряде дизеля (не приводящего к снижению его топливной экономичности) до 10%.

При удельном расходе содержащегося в генераторном газе водорода 1,4 г/(кВт^ч) для номинального режима работы дизеля зарегистрированы повышение его эффективного КПД на 5,5 %, уменьшение содержания оксидов азота в отработавших газах на 15 %, сажи - на 40 %.

В целом результаты исследования подтвердили целесообразность использования в дизелях продуктов газификации твердой биомассы, в частности, древесины в качестве частичного заменителя традиционного (нефтяное) топлива. Их применение способствует существенному улучшению экологических качеств энергетической установки и экономии традиционного топлива как за счет его частичной замены, так и за счет повышения эффективности рабочего цикла двигателя. Применение транспортных средств, оснащенных подобными энергетическими установками, расширяет эксплуатационные возможности этих средств, повышая экологическую безопасность их эксплуатации и частично решая при этом финансово-технологическую проблему заготовки моторного топлива.

Моторные топлива на основе масличных культур

Из всех имеющихся в распоряжении человечества «солнечных энергетических источников» наиболее

эффективным является масличное растение. Оно на биологическом уровне эффективно решает проблему аккумулирования энергии в содержащих масло зернах. В энергетический оборот могут быть вовлечены многие виды масличных культур. В отличие от нефтепродуктов растительное масло нетоксично, не имеет неприятного запаха, не содержит сернистых соединений, являющихся причиной кислотных дождей. Уже сейчас на рынок Западной Европы поступает более 1,5 млн т растительных масел. Полагают, что в ближайшие годы эта цифра возрастет в 1,5...2 раза [4].

О заметном возрастании интереса к моторным топливам растительного происхождения в последнее время свидетельствует тот факт, что в ряде зарубежных стран приняты перспективные программы поиска оптимального решения данной проблемы. Этому способствует и нынешняя ситуация на мировом рынке, при которой цены на коммерческое нефтяное топливо и растительные масла становятся сопоставимыми.

Мировой опыт показывает, что с учетом специфики химмотологичес-ких свойств растительных масел их использование в качестве моторного топлива наиболее предпочтительно в транспортных дизелях, что наряду с экономией нефтяных топлив обусловливает существенное улучшение экологические качества АТС. Несмотря на отмеченные преимущества применения топлив биологического происхождения, до настоящего времени еще не найдены рациональные

Сравнительные

методы организации рабочего процесса дизеля с использованием альтернативных топлив подобного вида. Основная причина этого - несоответствие физико-химических свойств растительных масел требованиям организации рабочего процесса в двигателе.

К важнейшим характеристикам, определяющим энергоемкость любого моторного топлива, относится низшая теплота сгорания и его плотность. Из табл. 1 видно, что все виды топлива биологического происхождения имеют меньшую теплоту сгорания в сравнении с традиционным топливом. По плотности эти топлива отличаются от нефтяного (дизельное) топлива незначительно.

Для дизелей важным показателем качества топлива является его склонность к самовоспламенению, которая оценивается цетановым числом (ЦЧ). К сожалению, характеристики по воспламеняемости биологических топлив также не отвечают требованиям рабочего процесса дизеля (см. табл. 1). Тем не менее, смесевое топливо, содержащее, например, рапсовое масло и дизельное топливо в соотношении 1:1, практически уже соответствует требованиям стандарта по показателю ЦЧ.

Большое влияние на смесеобразование оказывает вязкость применяемого топлива. При ее увеличении, что характерно для топлив растительного происхождения (см. табл. 1), ухудшается качество смесеобразования, возрастает неоднородность размеров и средний диаметр капель,

изменяется геометрия топливного факела на выходе из сопловых отверстий топливной форсунки. Для уменьшения различий в показателях вязкости растительных масел и традиционного топлива используют следующие мероприятия.

1. Разбавление растительных масел дизельным топливом (наиболее простой и доступный способ). Однако при этом необходимо предварительное определение оптимального соотношения компонентов смесевого топлива с учетом особенностей рабочего процесса и конструкции конкретного двигателя.

2. Приготовление эмульсий растительных масел с горючими или негорючими жидкостями, имеющими пониженную вязкость (вода, метанол, этанол, бутанол и др.), с использованием сложных систем эмульгирования, расположенных в непосредственной близости от места эксплуатации дизельной техники. Нестабильность эмульгированного топлива и дополнительные затраты производственного времени и финансовых средств существенно ограничивают возможности применения данного способа.

3. Переработка растительных масел в продукты, имеющие химическую структуру с меньшей молекулярной массой и, соответственно, низкую кинематическую вязкость, близкую к традиционному топливу. В настоящее время многие зарубежные фирмы уже освоили эффективную технологию глубокой переработки растительных масел в продукты, обладающие качествами нефтяного топлива.

Таблица 1

физико-химические свойства топлив для дизелей

Топливо Низшая теплота сгорания, МДж/кг Плотность, г/см3 ЦЧ Кинематическая вязкость, мм2/с (при 20 °С)

Дизельное топливо 42,5 0,818 40...45 4,5

Рапсовое масло 37,3 0,915 34,0 75,0

Смесь рапсового масла и дизельного топлива (1:1) 40,0 0,867 39,5 (расчет) 39,8 (расчет)

Подсолнечное масло 36,9 0,920 33,4 62,2

Арахисовое масло 37,0 0,920 36,6 81,5

) Л

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (24) декабрь 2011 г.

4. Подогрев растительных масел перед их использованием в двигателе. Температура, при которой их кинематическая вязкость достигает показателей традиционного топлива, соответствует 85.90 °С. Данный способ предполагает использование энергоемких нагревательных устройств, что снижает рентабельность моторной установки и усложняет ее конструкцию.

Анализ показывает, что более предпочтительным вариантом для отечественного транспорта является использование в качестве моторного топлива масла, получаемого из рапса, технология выращивания которого наиболее адаптирована к почвенно-климатическим условиям России. С целью изучения возможности использования рапсового масла в качестве моторного топлива в РУДН проведено экспериментальное исследование [5] показателей дизеля с рабочим объемом 0,624 л, работающего на смеси дизельного топлива и рапсового масла (соотношение 1:1). На этапе предварительного исследования выбран вихрекамерный способ смесеобразования, предпочтительность которого по сравнению со способом непосредственного впрыскивания топлива обусловлена следующими причинами:

• рабочий процесс вихрекамер-ного дизеля менее чувствителен к изменению физико-химических свойств топлива;

• штифтовая форсунка этого двигателя обладает важным свойством самоочищения;

• высокая интенсивность вращения воздушного заряда в вихревой камере сгорания и наличие в ней горячей вставки позволяют уменьшить негативное влияние на процесс сгорания, вызванное изменениями характеристик топливоподачи и геометрических параметров струи при впрыскивании вязкого топлива.

В эксперименте использовалось очищенное рапсовое масло с цетановым числом 34, вязкостью

75 мм2/с, низшей теплотой сгорания 37,3 МДж/кг, плотностью 0,915 г/см3. Для смесевого топлива эти характеристики представлены в табл. 1.

Топливная аппаратура перед установкой на двигатель была апробирована на безмоторном стенде, в результате чего сделаны следующие наблюдения. При постоянном положении органа управления подачей топлива увеличенная вязкость сме-севого топлива способствует повышению количества впрыскиваемого топлива вследствие уменьшения утечек его через зазоры прецизионных пар насоса и форсунки в ходе нагнетания, а также возрастанию угла опережения впрыскивания. Отмечено ухудшение качества распыливания топлива, увеличение неоднородности размеров и среднего диаметра капель, глубины проникновения топливной струи в воздушной среде. Аппаратура длительное время работала на топливном стенде достаточно стабильно, сохраняя свои исходные характеристики.

Результаты предварительного этапа исследования показали следующее. Рассмотренные выше отличия физико-химических свойств смесе-вого (биодизельное) топлива и характеристик топливоподачи предопределили качественное несовпадение в протекании рабочего цикла исследуемого дизеля и его традиционного аналога. По данным обработки индикаторных диаграмм рабочего цикла установлено, что процесс подготовки биодизельной смеси к воспламенению затягивается, о чем свидетельствует возрастание продолжительности индукционного периода, а само сгорание (тепловыделение) в объемно-кинетической стадии рабочего цикла протекает более вяло и затянуто по времени. Несколько возрастает и продолжительность основной (диффузионная) стадии сгорания. Увеличение длительности сгорания в целом, очевидно, является причиной возрастания тепловых потерь в биодизельном цикле, на что указывает

снижение эффективного КПД дизеля в среднем на 5 %.

Замена дизельного топлива на биодизельную смесь хотя и обусловила снижение эффективности рабочего цикла, но существенно улучшила экологические качества дизеля. Выброс с отработавшими газами оксидов азота снизился на номинальном режиме работы двигателя на 15 %, сажи - на 35 %, газообразных продуктов неполного сгорания (СО и СН) - в среднем на 10 %.

Визуальным контролем, проведенным после окончания предварительного этапа испытаний, обнаружено, что на внешней стороне распылителя форсунки имеются рыхлые отложения бурого цвета. Проверка на топливном стенде показала, однако, что присутствие на распылителе этих отложений не сказывается на характеристиках топливоподачи, которые соответствовали исходным. Значительные отложения обнаружены на газовой поверхности вставки вихревой камеры. Их присутствие нежелательно, в первую очередь, по соображениям организации смесеобразования, которое в вихрекамерном дизеле в значительной степени зависит от состояния этой поверхности и ее температуры. Рыхлый налет на ней препятствует растеканию топливной пленки, уменьшая ее поверхность. Кроме того, низкая теплопроводность продуктов, формирующих этот налет, нарушает тепловой режим испарения топливной пленки. Если иметь в виду, что в дизелях с малыми размерами вихревых камер в процессе смесеобразования преобладает пленочный (пристеночный) механизм, то наличие слоя отложений на поверхности вставки неминуемо влечет за собой соответствующие нарушения в протекании рабочего процесса.

Сделанные по результатам предварительного этапа испытаний наблюдения были учтены при последующей разработке мер по совершенствованию эффективных показателей биодизельного цикла:

<яа

Транспорт и экология

• для компенсации потерь мощности двигателя, работающего на биодизельной смеси, увеличили цикловую подачу на величину, пропорциональную разнице значений теплоты сгорания дизельного и смесевого топлив;

• пониженное ЦЧ топливной смеси и ее низкая реакционно-кинетическая способность обусловили необходимость добавки в ее состав 0,03 % органической перекиси - активатора воспламенения и сгорания; предполагалось, что присутствие активатора в смесевом топливе должно уменьшить задержку воспламенения до значения, соответствующего стандартному дизельному топливу;

• для уменьшения общей продолжительности сгорания к смесево-му топливу подмешивали небольшую дозу (0,04 %) активатора сгорания - ферроцена, который снижает саже-выделение при сгорании биодизельного топлива;

• химический анализ отложений на стенках камеры сгорания установил, что они, в основном, содержат углеродистые компоненты, поэтому для их выжигания стенки покрывали тонким слоем (0,2 мм) нихрома, который является эффективным катализатором, используемым в химических технологиях для конверсии

углеводородов; каталитически активное покрытие наносили на поверхность стенок вихревой камеры методом термического напыления порошкообразной массы никеля и хрома, взятых в соотношении 4:1.

После проведения указанных мер была осуществлена опытная проверка эффективности их реализации. Анализ индикаторных диаграмм рабочего цикла показал, что на всех стадиях рабочего цикла характер выгорания биодизельной смеси с активирующими присадками практически идентичен сгоранию стандартного дизельного топлива. Отмечено лишь некоторое снижение нарастания давления и скорости тепловыделения в объемно-кинетической стадии сгорания при более интенсивном его протекании (догорание) на заключительном этапе диффузионной стадии. Общая продолжительность сгорания (тепловыделение) при использовании активирующих средств сократилась и соответствовала продолжительности сгорания стандартного дизельного топлива. Одновременно с этим зарегистрировано существенное снижение содержания сажи в продуктах сгорания по сравнению с данными предварительного этапа испытаний дизеля (до 60 % на номинальном режиме).

Присутствие присадок в топливе практически не отразилось на концентрации в отработавших газах СО и СН. Следовательно, снижение содержания этих токсических компонентов в отработавших газах, зарегистрированное на обоих этапах испытаний дизеля, обусловлено наличием в смесевом топливе рапсового масла, в химической структуре которого содержится «собственный окислитель» - кислород (более 10 %). Визуальная проверка состояния деталей камеры сгорания и цилинд-ро-поршневой группы дизеля после испытаний показала их полное соответствие норме.

Обобщая результаты исследований, следует отметить, что применение рапсового масла в дизелях целесообразно в качестве частичного заменителя традиционного моторного топлива для совершенствования их экологических качеств. Однако при этом необходимо предусмотреть ряд мероприятий по доводке рабочего процесса. Применение рапсового масла в качестве основного топлива для дизеля, как показывает зарубежный опыт [6], требует существенных изменений его базовой конструкции и адаптации рабочего процесса к физико-химическим свойствам нового вида топлива.

Таблица 2

Основные физико-химические показатели дизельного топлива и МЭРМ

Показатели Дизельное топливо МЭРМ

Плотность при 15 °С, кг/м3 847 856

Поверхностное натяжение при Т = 323 К, Н/м 25,3 • 10-3 29,2 • 10-3

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 42,5 37,7

Цетановое число 45 48

Массовая доля серы, % 0,250 0,005

Зольность, % 0,025 0,008

Кинематическая вязкость при Т = 323К, мм2/с 2,11 4,25

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива, кг 14,35 12,6

Химический состав топлива, % С Н О 87,0 12,6 0,4 77,5 12,0 10,5

Мировой опыт убедительно свидетельствует о том, что наиболее перспективным заменителем нефтяного топлива является не собственно рапсовое масло, а метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ). Это топливо, полученное в результате химической переработки (переэтерификация) рапсового масла, очень близко по физико-химическим и моторным свойствам к дизельному топливу (табл. 2) и поэтому не требует ни модернизации дизеля, ни дублирования системы питания.

Как моторное топливо оно имеет рабочее название: в России - биодизель, во Франции - ^е$1ег, в Германии - ВЫ1е$е!.

Применение в мире МЭРМ в качестве моторного топлива связано, в первую очередь, со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработавших газах и улучшением экологической обстановки в регионах интенсивного использования дизельной техники. Поэтому интерес к данному виду топлива в настоящее время постоянно возрастает. Страны ЕС приняли и реализуют развернутую программу перехода на биотопливо. Впервые его начали применять на транспортных средствах с дизельным приводом в Германии, Австрии, Франции и Швейцарии. С начала 90-х гг. прошлого века этот список пополнили Чехия, Словакия и Венгрия. Постоянно развивающиеся технологии получения биотоплива позволяют прогнозировать выравнивание в ближайшие годы стоимости нефтяного и биологического топлив [6].

Уже сейчас такие развитые страны, как Германия и Австрия, до 12 % собственной потребности в дизельном топливе удовлетворяют за счет МЭРМ. В этих странах биотопливо в первую очередь предназначено для автобусов и автомобилей с дизелями, эксплуатирующихся в крупных городах. В Европе МЭРМ используется по двум принципиальным схемам: немецкая и французская.

Французская схема предусматривает централизованное производство

Ше$1ег на мощных установках (5-10 тыс. т/год). В Германии в настоящее время действуют около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а ВЫ1е$е! выпускают восемь немецких фирм.

Немецкая схема представляется более приемлемой для нынешнего состояния экономики России. Наиболее привлекательна эта схема для отдельных средних и крупных транспортных предприятий, расположенных в отдаленных регионах страны, для которых затраты на доставку топлива порой соизмеримы с его стоимостью. Эти предприятия могут самостоятельно приобрести небольшую автономную установку по производству и эте-рификации рапсового масла, которая способна полностью удовлетворить локальные потребности в топливе данного предприятия и с определенной коммерческой выгодой всего дизельного транспортно-технологичес-кого комплекса региона. Понятно, что данная схема предусматривает необходимость вовлечения в технологический цикл по производству биотоплива местных сельскохозяйственных производителей рапса, обусловливая тем самым возможность расширения сферы их деятельности.

Заметим, что процесс получения биотоплива из семян рапса сопровождается выработкой богатого белком кормового жмыха и глицерина - продуктов, востребованных в животноводстве и пищевой промышленности. С учетом этого возможна организация безотходного производства указанных продуктов, каждый из которых будет востребован на рынке, а себестоимость биологического топлива будет снижаться, приближаясь к нефтяному.

К сожалению, в России до настоящего времени работы, связанные с технологией получения биотоплива и его использованием на транспорте, носят фрагментарный характер. Их результаты не привели к появлению на национальном рынке экологически чистого топлива, хотя имеются все предпосылки для этого.

Аккумулирующая солнечную энергию биомасса является практически неограниченной сырьевой базой для получения экологически чистого моторного топлива. Это обстоятельство должно стимулировать развитие транспортной биоэнергетики в нашей стране, обладающей по сравнению с европейскими странами значительно большими потенциальными возможностями ее воспроизводства.

Литература

1. Терентьев Г.А., Тюков В.М., Смаль Ф.В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. - М.: Химия, 1999. - 272 с.

2. Серебренников В.А, Батурин С.А., Румянцев В.В. Опыт применения присадок пароводородной смеси в транспортном дизеле // Двигателестрое-ние. - 1992. - № 2. - С. 41-44.

3. Фомин В.М., Маслов Ю.Л. Исследование экологических характеристик дизеля, работающего с добавками к воздушному заряду продуктов синтеза древесины // Совершенствование мощностных, экономических и токсических характеристик ДВС. - Тр. VII Международного науч.-практ. семинара. - Владимир, 1999. - С. 76-79.

4. Барковский Б.М., Кузьминов В.А. Плантации горючего // Энергия. - 1994. - № 6. - С. 70-80.

5. Фомин В.М., Ермолович И.В., Халиль А.С. Использование рапсового масла в качестве моторного топлива для дизелей // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1997. - № 5. - С. 11-12.

6. Перспективные автомобильные топлива - виды, характеристики, перспективы: Пер. с англ. / Под ред. Я.Б.Черткова. - М.: Транспорт, 1999. - 319 с.

«Транспорт на альтернативном топливе» № 6 (24) декабрь 2011 г.

АН| ИШГ I мтШ| Т1Р1Г тгп п°1"ПТГПТГИШШИШ