CC BY
96
be thought to use the BDS as part of a combined system with GPS and Glonass. Thus it is possible to increase the accuracy of mapping and Topology in a considerable way.
There are many factors of positioning error, we focus on geometrical analysis because it allows you to take a look and be able to understand if it is worth to enter fully into the positional analysis on the Volga region. As a conclusion of this report we give advice on beginning to enter into analysis of this constellation and improve any positioning use of it
The analysis of satellites visible it shows the BDS is not yet completed and therefore it is just a close approximation of real use. As can be seen in the graphs, also the BDS has a poor coverage in the American continent, and depending on the time periods, it can observe a vast majority of the satellites in the region of middle of the continent of Asia, reaching its coverage almost up to the northern and southern hemispheres, and it is advantage that should be taken.
REFERENCES
1. Gibbons Media & Research LLC, "China to Launch First BeiDou-3 Navigation Satellite this Summer," 16 Febrary 2017. [Online]. Available: http://www.insidegnss.com/node/535 6.
2. 2016 Gibbons Media & Research LLC, "China Launches New MEO BeiDou Satellite; 18 More to Come by End of 2018," 5 January 2016. [Online]. Available: http://www.insidegnss.com/node/4 8 37.
3. G. Strang and K. Borre, Algorithms for Global Positioning, 2012.
4. C. He-Chin, H. K.-W. C. Yu-Sheng, Y. Ming and R. Ruey-Juin, "The performance comparison between GPS and BeiDou-2/compass: a perspective from Asia," National Cheng-Kung University,, Tainan 701, 2009.
5. T. Weiming, C. H. Jian and H. Meng, "Analysis of the Impact of BeiDou Regional Constellation on Relative Positioning Accuracy," Technology Research Center, Hubei Wuhan, 2015.
6. C. Yu Cong and X. Wang, "Positioning Accuracy of BeiDou regional Navigation Satellite System," Ministry of water resources public welfare industry research special of china, 2014.
7. China Satellite Navigation Office, "BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document," 2016.
8. A. Ranganathan, "github," 2011. [Online]. Available: https://github.com/aanjhan/cu-hw-gps. [Accessed April 2017].
9. M. Bhuiyan, S. Soderholm, L. Ruotsalainen and H. Kuusniemi, "Implementation of a Software-Defined BeiDou Receiver," Lecture Notes in Electrical Engineering •, May 2014.
10. O.M. Montenbruck, A. Hauschild, P. Steigenberger, U. Hugentobler, P. Teunissen and S. Nakamura, "Initial Assessment of the COMPASS/BeiDou-2 Regional Navigation Satellite System".
11. J. Prakash and A. Khandelwal, "Development of Open Source Compass SDR," p. 50, 2012.
12. H. Riebeek, "NASA Earth Observatory," 4 September 2009. [Online]. Available: http://earthobservatory.nasa.gov/?eocn=topnav&eoci=logo. [Accessed 3 March 2017].
13. Y. Tsui and J. Bao, Fundamentals of Global Position System Receivers a Software Approach, New York: John Wiley & Sons, Inc., 2000.
УДК 674.8(075.8)
Левин А.Б., Афанасьев Г.Н.
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»
(МГТУ им. Н.Э. Баумана), Мытищинский филиал, Московская обл., Мытищи, Россия
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ И МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО ТОПЛИВА ИЗ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ МЕТОДОМ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА
Рассмотрен тепловой и материальный баланс получения жидкого моторного топлива в процессе быстрого пиролиза древесины. Предложены условные интегральные химические формулы древесины и моторного топлива из нее. Определен расход сухой измельченной древесины для производства 1 т моторного топлива. Приведены результаты эксплуатации действующих установок по производству жидкого моторного топлива из древесины методом быстрого пиролиза. Выполнена оценка себестоимости жидкого биотоплива, получаемого этим методом. Показано, что в современных экономических условиях производство из древесины жидкого моторного топлива неэффективно
Ключевые слова:
древесина, быстрый пиролиз, жидкое моторное топливо, экономическая эффективность
Введение
В связи с ограниченностью земных запасов ископаемых энергоресурсов и желанием в минимально возможной степени зависеть от их импорта заметно возрос интерес к проблеме вовлечения различных видов биотоплива в топливно-энергетический баланс. Этот интерес поддерживается также требованиями сокращения антропогенных выбросов в атмосферу парниковых газов, предположительно приводящих к глобальному изменению климата.
Поскольку газообразное и жидкое топливо более востребовано, исследования в области технологий производства жидкого, в частности моторного, биотоплива весьма интенсивны. Успешно развивалось в период высоких цен на нефть производство такого топлива из растительного пищевого сырья. Так в 2011 году в Бразилии было произведено 26 млрд. литров этилового спирта из сахарного тростника для использования его в качестве компонента моторного топлива. В США производится примерно 4 0 млрд. литров такого топлива из маиса и пшеницы [1]. Известны примеры масштабного производства биодизеля - жидкого топлива, применяемого в смеси нефтяным дизельным топливом в одноименных двигателях внутреннего сгорания [18]. В качестве сырья для производства биодизеля используется рапсовое или пальмовое масло [2, 19].
Начато перспективное производство биодизеля из водорослей.
В то же время производство жидкого моторного топлива из лигноцеллюлозного сырья, в том числе из биомассы древесины развивается менее интенсивно. Хорошо известны и десятки лет используются две технологии - гидролизное производство и технология Фишера-Тропша.
Гидролиз состоит в расщеплении полисахарида целлюлозы древесины слабым раствором серной кислоты на более короткие молекулы - монозы и полисахариды. После нейтрализации и очистки гид-ролизат сбраживается, и последующей ректификацией слабого раствора получают товарный этиловый спирт. Это экологически небезопасное производство, и оно не выдерживает конкуренции с производством синтетического спирта из ископаемых углеводородов - нефти и газа.
Способ Фишера-Тропша, известный с 1927 года, состоит в получении из углеводородного сырья методом пиролиза так называемого сингаза, смеси СО и Н2, и последующего синтеза из этой смеси жидкого топлива или масел. Наилучшие результаты были достигнуты при переработке таким способом каменных углей в странах, не имеющих собственных месторождений нефти, например, в ЮАР.
Что касается производства моторного топлива из древесной биомассы, то промышленного масштаба оно нигде в мире не имеет, а находится на стадии исследований. В том числе ведутся многочисленные исследования так называемого «быстрого пиролиза», при котором совмещаются процессы пироли-тической деструкции древесины и каталитический синтез жидкого биотоплива из продуктов деструкции. Получающийся при этом жидкий продукт имеет свойства и состав близкие к свойствам топлива, получаемого из нефти.
В настоящей работе предпринимается балансовая оценка возможностей и экономической эффективности производства жидкого моторного топлива из древесной биомассы. Рассматривается только материальный и энергетический баланс процесса. Кинетика процессов не рассматривается.
Химический состав и «формула» древесины
В абсолютно сухом состоянии древесина независимо от породы дерева содержит около 4 9% углерода, 44% кислорода, 6% водорода и около 1% азота и минеральных веществ - золы. Этот состав обусловлен тем, что древесина всегда образована тремя веществами: целлюлозой, лигнином и геми-целлюлозой. Древесина хвойных пород содержит около 51% целлюлозы, 27% лигнина и 22% гемицел-люлоз, которые в свою очередь состоят из примерно равного количества пентозанов и гексоза-нов. Древесина лиственных пород содержит около 47% целлюлозы, 24% лигнина и 29% гемицеллюлоз (в основном пентозанов).
Целлюлоза - цепной полимер из повторяющихся групп СбНюОб, который обеспечивает прочность древесины при растяжении и изгибе. Она имеет формулу п '(СбНюОь), где п = 6 000...14 000.
Лигнин - ароматический полимер с большим (относительно целлюлозы) содержанием углерода. Состав и строение лигнина изменяется не только для Состав и теплота сгорания составляющих
различных видов растительного сырья, но и в зависимости от способа его выделения из сырья. Лигнин обеспечивает сохранение формы древесины. Он химически не стоек, разрушается при контакте с кислородом воздуха, растворяется в кислотах и щелочах при повышенной температуре.
Гемицеллюлозы - это смесь пентозанов п-(С5НэО4) и гексозанов пМСбНюОь). Длины цепей гемицеллюлоз существенно меньше, чем у целлюлозы, и составляют п = 60.200.
Сухая обеззоленная масса древесины имеет следующий состав:
С^ = 50% ; = 6% ; 0^а/ = 44% . Условно
можно принять, что древесина представляет полимер, состоящий из блоков С6Н9О4. Эта формула дает
С^а/ = 49,7% ; = 6,2% ; О= 44,1% , что до-
статочно точно для целей настоящего анализа.
Минеральное моторное топливо, аналог которого должен быть получен из древесины, отличается от исходного сырья практическим отсутствием в его составе кислорода. Приближенно формула такого топлива может быть представлена как п*(СН2). Согласно [3] бензин можно описать формулой п *(СН2,15) и п=7...8,4 дизельное топливо как п *(СН1,8) и п=2 2, 8...2 4, 2.
Низшая теплота сгорания составляющих древесины и моторного топлива может быть рассчитана по формуле Менделеева [4], которая для абсолютно сухой древесины (такое состояние обозначается надстрочным индексом daf) имеет вид
<2?а/ = 338С^а/ + 1030Н*а/ -108,50^ (1)
Высшая теплота сгорания
= 0>а/ + 225Иаа/ (2)
Результаты расчетов представлены в таблице 1. сухой древесины и продуктов ее пиролиза Таблица 1
Вещество Состав топлива, % Теплота сгорания, МДж/кг
Ойа1 Н ^ низшая О^^ высшая
Целлюлоза п'(СбНюО5) 44,4 49,4 6,2 16,0 17,4
Лигнин п*(С9Н9О2,5) 68,8 25,5 5,7 26,3 27,6
Пентозаны п*(С5НэО4) 45,5 48,4 6,1 16,4 17,8
Гексозаны п*(СбН9О5) 44,4 49,4 6,2 16,0 17,4
Древесина п*(СбН9О4) 49,7 44,1 6,2 18,5г 20,0
Моторное топливо п*(СН2) 85,7 - 14,3 4 3,62 46,8
Оксид углерода СО 42,9 57,1 - 8,3 8,33
Углерод С 100 - - 33,8 33,8
ПРИМЕЧАНИЯ:
1. Опытные значения величины О^ древесины дают в среднем 18,8 МДж/кг [4].
2. Теплота сгорания моторных топлив по опытным данным составляет около О^ =4 2, 0.4 4 ,0 МДж/кг [5].
3. Опытное значение теплоты сгорания СО составляет 9,17 кДж/кг.
Материальный баланс производства жидкого топлива из древесной биомассы
Целлюлоза
При пиролизе целлюлозы и гемицеллюлоз и последующем синтезе процесс с максимальным выходом жидкого топлива, если считать, что свободный кислород в продуктах пиролиза отсутствует, интегрально можно описать как (назовем это процессом «А»):
(С+ 5О) -п *(4'(СН2 )+Н2О+2СО2) (3)
Последовательность (3), а также последующие аналогичные, не следует рассматривать как уравнения реакции, но только как способ составления материального баланса в гипотетическом процессе получения нефтеподобного моторного топлива из древесной биомассы или из составляющих ее компонентов. Согласно (3) из (6,12+10,1+5,16) = 162 единиц массы целлюлозного сырья можно получить 4,(12+2,1) = 56 единиц массы углеводородного топлива. Таким образом, из 1 кг абсолютно сухого целлюлозного сырья максимально можно получить 56/162= 0,346 кг жидкого топлива.
Если реакции идут с образованием метанола и последующей его дегидратацией (назовем это процессом «Б»), то это можно записать как
п- (2'(СбНюО5)) - л- (5-(СНзОН)+2СО2 + СО+4С) -л- (5-(СН2)+5'Н2О+2СО2 +СО+4С) (4) В этом случае из 324 массовых единиц целлюлозы может быть получено 70 единиц углеводородного топлива, или 0,216 кг из 1кг сухой целлюлозы. Аналогичный вывод приведен в [5]. К сожалению, авторы не распространили его на древесину, элементный состав которой отличен от состава целлюлозы.
Теоретически возможен третий тип процесса -«В», при котором все атомы водорода окисляются кислородом древесины с образованием пяти молекул воды и шести атомов твердого углерода. В настоящей работе этот процесс не рассматривается, так как в этом случае жидкое биотопливо не образуется.
Древесина
Рассмотрим более подробно материальный баланс пиролиза древесной биомассы, считая, что содержащийся в древесине водород в максимально возможном количестве перейдет в жидкое биотопливо. Тогда реакция может быть записана как
п*(СбН9О4)- п-(4,5(СИ2) + 1,5С +4О) (6)
или
2п(СбН9О4)- п (9(СН2) + 3С + 4О2) (7) Из уравнения (6) следует, что из 1 кг сухой древесины может быть получено 126/290 = 0,43 кг нефтеподобного жидкого биотоплива.
Но, как было указано выше, в газовой фазе продуктов пиролиза не может содержаться свободный кислород. Следовательно, реакция должна пойти как
л(2(С6Н9О4))- л(8(СТ2) + СО +3СО2 +Н2О) (8) Из каждой пары комплексов (С6Н9О4) образуется 8 комплексов СН2, из которых строятся нефтепо-добные углеводороды. Массовые доли в составе продуктов составят: жидкое топливо - 0,386 (что несколько меньше теоретически возможной величины 0,43); вода - 0,062; СО - 0,097; СО2 - 0,4 55. Если в реакции синтеза жидкого топлива участвует произвольное число пар комплексов (С6Н9О4), реакция может быть записана как
п (2М(С6Н9О4))-л ((8N+m)CH2 + xСО+yCО2+z Н2О)), (9) где N - любое натуральное число; т, х, у, z - целые числа, зависящие от сомножителей, составляющих число N.
В табл. 2 приведены значения величин т, х, уг z для различных значений параметра N. При N кратном 3 монооксид углерода не образуется (х = 0), выход СН2 максимальный и составляет 0,402.
Самым вероятным путем реакции является тот, для осуществления которого необходимо минимальное количество молекул исходных веществ. Однако,
Значения т, х, уг z и выход жидкого топлива при различных значениях N
даже если часть реакций пойдет при участии большего числа молекул, результат не может существенно измениться, как показывают данные таблицы 2. Для дальнейшего анализа принято значение массовой доли жидкого топлива в продуктах пиролиза 0,386. Следует помнить, что число п в левой части уравнения - это половина числа повторяющихся групп С6Н9О4 в условном моле древесины, участвовавших в образовании значительно большего числа молей жидкого топлива, в сумме содержащих (8N+m)•n групп (СН2). В отличие от молекул целлюлозы молекулы веществ, образующих жидкое моторное топливо гораздо короче и содержат не более 20 атомов углерода. Нижние строки в таблице 2 математически возможны, но весьма маловероятны.
При проведении процесса по варианту «Б» получим:
п(2(С6Н9О4))-л- (4СН3ОН + Н2О + СО +СО2 + 6С) -- л-(4СН2 + 5Н2О + СО +СО2 + 6С) (10) В этом случае массовый состав продуктов составит: жидкое топливо - 0,193; вода - 0,310; СО
- 0,097; СО2 - 0,152; уголь - 0,248.
Таблица 2
N m x y z Массовая доля жидкого топлива в продуктах пиролиза
1 0 1 3 1 0,386
2 0 2 6 2 0,386
3 1 0 11 2 0,402
4 1 1 14 3 0,398
5 1 2 17 4 0,396
6 2 0 22 4 0,402
10 3 1 36 7 0,400
100 33 1 366 67 0,402
Состав продуктов пиролиза древесины и ее составляющих при проведении процесса «А», % Таблица 3
Вещество Жидкое биотопливо П -(СН2 ) Твердый углерод С Газы
Оксид углерода СО Диоксид углерода СО2 Водяной пар Н2О
Целлюлоза П'(С6НюО5) 34,6 - - 54,3 11,1
Древесина п(С6Н9О4) 38,6 - 9,7 45,5 6,2
Состав продуктов пиролиза древесины и ее составляющих при проведении процесса «Б», % Таблица 4
Вещество Жидкое биотопливо П -(СН2 ) Твердый углерод С Газы
Оксид углерода СО Диоксид углерод СО2 Водяной пар Н2О
Целлюлоза П'(С6НюО5) 21,6 8 4 1 8,6 27,2 27,8
Древесина п(С6Н9О4) 19,3 24,8 9,7 15,2 31,0
Баланс энергии
При использовании процесса «А» при быстром пиролизе сухой древесины могут быть получены продукты, высшая теплота сгорания которых составляет: жидкое биотопливо - 46,8 МДж/кг; твердый углерод - 33,8 МДж/кг; угарный газ - 8,3 МДж/кг.
Итого, суммарная высшая теплота сгорания продуктов составляет для процесса «А»
O
daf
= 0,36
+0,0-33,8+0,097-8,3
16
В 7
МДж/кг.
Теплота
сгорания древесины 0$ииа равна 20,0 МДж/кг. Без учета потерь теплоты в окружающую среду на повышение энтальпии продуктов пиролиза
daf
будет израсходовано Ад = 1,13 МДж/кг. Часть этой теплоты может быть использована для сушки сырья. Для процесса «Б»
О^ =0,193-4 6,8+0,24 8-33,8+0,0997-8,3=18,24 МДж/кг; Ад = 1,7 6 МДж/кг.
Оценим возможное повышение температуры продуктов пиролиза без учета зависимости теплоемкости продуктов от температуры.
м =
Aß
I
(11)
giCi
где giCi
доля теплоемкости компонента в тепло-
емкости смеси продуктов пиролиза, кДж/(кг-К).
Доли компонентов приведены в табл. 3 и 4, теплоемкости компонентов приведены в таблице 5. Теплоемкость продуктов пиролиза, кДж/(кг-К) [6] Таблица 5
Жидкое биотопливо Уголь СО СО2 Н2О
2,1 0,69 1,04 0,816 6 CD 1
Для процесса «Б»
Для процесса «А»
М =_II««_= 785 с
0,386 - 2,1 + 0,0 - 0,69 + 0,097-1,04 + 0,455 - 0,816 + 0,062-1,86
1760
М =-= 1341
0,193 - 2,1 + 0,248 - 0,69 + 0,0997 -1,04 + 0,152 - 0,816 + 0,273 -1,86
Расход древесного сырья
Для получения 1т углеводородного биотоплива проведении процесса по варианту «Б» - 5,18 т.
по процессу «А» из древесины потребуется 1/0,386 Для различных пород деревьев значения расхода
= 2,6 т абсолютно сухой древесной биомассы. При древесины в м3 приведены в табл. 6.
Расход абсолютно сухой древесины для производства Таблица 6
1 т жидкого углеводородного биотоплива, пл. м3
Порода Плотность абсолютно сухой древесины р0, кг/м3[6] Процесс
А Б
Ель 420 6,16 12,3
Осина 465 5,4 11,1
Сосна 480 5,4 10,8
Береза 620 4,2 8,4
Представленные в таблице 6 величины соответствуют идеальному без потерь процессу. Очевидно, для производства 1 т жидкого биотоплива л•(СН2) потребуется большее количество сухого сырья. Можно оценить это увеличение расхода сырья величиной 10.15% от теоретического расхода. Исходным сырьем для рассматриваемых процессов является измельченная сухая древесина, так называемая «древесная мука». Для определенности примем, что исходное сырье представляет смесь из равных долей ели, осины, сосны и березы. Средняя плотность древесины такой смеси в абсолютно сухом состоянии составит 4 96 кг/м3. С учетом увеличения на 10% расхода сырья по сравнению с теоретически необходимым, расход древесной муки составит в процессе «А» 2,9 т или 5,8 м3, процессе «Б» - 5,7 т или 11,5 м3.
Для производства 1 т древесной муки при использовании в качестве сырья смеси опилок и стружки от деревообработки требуется 2,5 м3 сырья (здесь и далее имеется в виду объем в пл. м3). При использовании только опилок потребуется 3,3 м3 сырья [8]. Следовательно, расход сырья для производства жидкого биотоплива составит:
по процессу «А» - 2,9*2,5 = 7,25 м3/(т биотоплива),
по процессу «Б» - 5,7*2,5= 14,3 м3/(т биотоплива).
Масса сухой древесины необходимой для производства 1 т древесной муки составляет 2,5*0,496=1,24 т.
Соответственно в процессе производства древесной муки для процесса «А» образуются отходы в количестве 0,24-2,9 = 0,696 т/(т биотоплива) или 1,4 м3/(т биотоплива), а в процессе «Б» -0, 24-5, 7/0, 496 = 2.76 м3/(т биотоплива). К этому следует добавить кору в количестве 13% от объема израсходованной стволовой древесины.
Тогда суммарно объем отходов процесса «А» составит 1,4+0,13*7,25= 2,34 м3/(т биотоплива), процесса «Б» - 4,62 м3/(т биотоплива).
При абсолютной влажности ^=122 % (относительная влажность свежесрубленной древесины №г=55%) потребуется удалить из древесины соответственно Овл =3,54 и =6,96 т воды. Средняя норма расхода теплоты на сушку древесины [9] составляет qc =3,5 МДж/(кг удаленной влаги). При использовании для сушки древесного топлива с низшей теплотой сгорания рабочей массы Q■ =7 000 МДж/т или около 6300 МДж/м3 , расход древесины составит
СвлЧс
о _ вл"1е
(12)
где Вуд - расход топлива на удаление влаги из древесного сырья необходимого для производства 1т жидкого биотоплива; О - масса влаги удаляемая из древесного сырья в расчете на 1 т жидкого топлива; Qri -низшая теплота сгорания сырой древесной биомассы, МДж/м3; ^ = 3,5 МДж/кг - средняя норма расхода теплоты на сушку древесины; ^ =0,8 - КПД топочного устройства сушильной установки.
Расчет по (12) дает для процесса «А» Вуд = 2,4 6 м3/(т биотоплива), а для процесса «Б» Вуд= 4,83 м3/(т биотоплива). Таким образом, отходов производства древесной муки недостаточно для сушки необходимого количества сырья для производства 1 т жидкого биотоплива. Дефицит составляет 0,12 м3/(т биотоплива) для процесса «А» и
0.21 м3/(т биотоплива) для процесса «Б». Следовательно, для производства 1 т жидкого биотоплива из древесины по процессу «А» потребуется не менее 7,37 м3/(т биотоплива), а в процессе «Б» -около 14,5 м3/(т биотоплива). Есть возможность использовать для сушки физическую теплоту продуктов процесса, однако это в лучшем случае не более чем на 10% позволит сократить расход топлива на сушку и, возможно, не окупит капиталовложения в систему рекуперации теплоты.
Необходимо заметить, что расход теплоты существенно зависит от влажности исходного сырья и при использовании в качестве сырья только сухой стружки и таких же опилок расход теплоты в 4 раза меньше, чем при использовании только опилок от лесопиления.
Опыт действующих установок быстрого пиролиза.
В действующих экспериментальных и полупромышленных реакторах элементный состав обезвоженной жидкой фракции характеризуется следующими величинами: С^ = 45.65%; Н^ = 5.7%; О^ =30.47%; N сла£ + + Adaf в сумме менее 0,5% [10]. Высшая
теплота сгорания сухой массы 22.24 МДж/кг, рабочей массы 15.19 МДж/кг. Разные технологии быстрого пиролиза дают различные значения для содержания кислорода О^^, и углерода С^^ , содержание водорода остается приблизительно одинаковым и соответствует содержанию его в сухой древесине. Усредняя, пиротопливо действующих установок можно представить как некое вещество, характеризуемое формулой ЛМС9Н12О5), что соответствует элементному составу С^^ = 54%; Н^^ = 6%; О^^ = 4 0%. По данным [11] в состав жидкого продукта быстрого пиролиза входят 21 % воды, 18% органических кислот, а также спирты, сахара, альдегиды, эфиры, кетоны, фураны и другие. Низшая теплота сгорания 17,5 МДж/кг, рИ=2,43. Реально пиротопливо, получаемое быстрым пиролизом древесины, характеризуется значительным содержанием кислорода в отличие моторного топлива, получаемого из нефти, которое не содержит кислорода, и поэтому имеет гораздо большую теплоту сгорания - 42.44 МДж/кг. Массовые доли фракций сухих продуктов быстрого пиролиза составляют в среднем: 60.70% - жидкость (бионефть), 14.20% -твердое углистое вещество, около 20% - газы.
Присутствие кислот, углистого вещества и воды не позволяют пока использовать пиротопливо в двигателях внутреннего сгорания без дополнительной его очистки и осушения. Особенно важно отметить наличие в пиротопливе кислот. Показатель рИ находится в диапазоне 2,0.3,0, то есть эта жидкость столь же «кислая» как 5% раствор лимонной кислоты или пищевой уксус. Такое топливо называют иногда бионефть, подчеркивая необходимость его дальнейшей переработки. Использование же его как топлива в паровых и водогрейных котлах не имеет никаких преимуществ перед сжиганием древесины. Цена такого топлива может, с некоторым приближением, быть оценена пропорционально теплоте сгорания относительно цены мазута. Соответственно цена реализации, если предположить что найдутся потребители такого химически агрессивного биотоплива, не может составлять более 3000.4000 руб./т.
В установках быстрого пиролиза доля жидкой фракции составляет 74% от массы исходной древесины. Пятую часть от ее массы составляет вода. Таким образом, масса обезвоженного пиротоплива составляет 59% от массы сырья влажностью 10% или 66% от сухой массы сырья. Для производства 1 т сухого пиротоплива в реальных установках потребуется не менее 1/0,66 = 1,52т или 1,52/0,496 =
3,06 м3 подготовленной (сухой) древесной биомассы. При сушке из исходной древесины потребуется удалить 1,52* (1,22 - 0,11) =1,65 т влаги. Это потребует 1,14 т или 2,3 м3топлива.
Для производства 1т пиротоплива придется за-
м3 исходного древесного сы-
м3
от-
тратить 1,52*2,5=3,8
рья. При этом образуется 0,27 т или 0,54 ходов. С учетом коры всего образуется 0,54 + 0,13-3,8=1,03 м3 отходов. Дефицит составляет 1,27
3 Всего расход древесины можно 3
м3
оценить как
3,06+1,27= 4,33 м3
Оценка экономической эффективности производства жидкого топлива из древесины.
На момент написания данной статьи, изводителей в России составляли: 6 000...14 000 руб./т; древесный уголь 6000 руб./т; древесная мука - 4 8 руб./т; дровяная древесина - 400.700
цены про-мазут -мелочь) -00.10 000 руб./скл.
м3; электроэнергия для юридических лиц - 2,5.5,2 руб./кВт'ч, а курс евро составлял 40 руб.
Для дальнейших оценок принято: мазут - 10 000 руб./т; древесный уголь (мелочь) - 6000 руб./т; древесная мука - 6 000 руб./т; дровяная древесина - 550 руб./скл. м3; электроэнергия для юридических лиц - 4,0 руб./кВт*ч.
Авторы сознают, что вследствие волатильности рынков товаров и валют приведенные выше цены в момент публикации могут сильно отличаться от приведенных вышех значений, но надеются, что эти отличия не нарушат принципиально соотношения между ними и не приведут к концептуально иным выводам.
В настоящее время не накоплен достаточный опыт строительства промышленных установок быстрого пиролиза. Для оценки необходимых капиталовложений воспользуемся оценками [12], согласно которым капиталовложения в установку мощностью 50 МВт (по жидкому топливу) находятся в диапазоне 17,5.31,6 млн. €. При этом авторы обзора полагают, что по мере накопления опыта тиражирования однотипных установок капитальные затраты снизятся. Начиная с десятой установки, с учетом так называемого «коэффициента изучения», капиталовложения составят 13,6.18,36 млн. € [13]. Примем для дальнейших расчетов среднюю величину 16,0 млн. €.
При теплоте сгорания жидкого биотоплива около 17,0 МДж/кг мощность 50 МВт обеспечивается при производительности установки 3кг/с. При работе 7 000 часов в течение года установка произведет 3 • 3,6 • 7 000 = 75 600 т жидкого биотоплива.
Амортизационные отчисления следует принять по аналогии с котельным оборудованием равными А = 11% или 70,4 млн. руб. Затраты на ремонт составляют Р = 0,2-А = 2,2% или 14,1 млн. руб.
Общезаводские расходы ОЗ = 0,2 ■ (А+Р+ЗП), где - ЗП годовой фонд зарплаты. Надежных данных
о необходимой численности персонала для установки быстрого пиролиза в доступной литературе обнаружить не удалось. Для оценки принято, что эта численность не отличается от численности персонала котельной с одним котлом аналогичной мощности - 28 человек. При средней месячной зарплате с учетом отчислений в социальные фонды 25 тыс. руб. годовые расходы на оплату труда составят 25'12'28 = 8,4 млн. руб. Следовательно, общезаводские расходы составят 0,2*(70,4 + 14,1 + 8,4) = 18,6 млн. руб.
Налог на имущество НИ = 2,2% или 14,1 млн. руб.
Суммарно эксплуатационные расходы составят (без стоимости сырья и электроэнергии): Э = А+Р+ОЗ+ЗП + НИ = 70,4+14,1+ 18,6+8,4+ 14,1 = 12 5,6 млн. руб. или 1660 руб./т.
При производстве жидкого топлива из приобретаемой древесной муки только затраты на сырье для производства 1 т жидкого биотоплива составят для процесса «А» составят 2, 9*6 000= 17 400 руб./т, для процесса «Б» - 5, 7*6 000 = 34 200 руб./т. Очевидно, что такое производство не может окупаться.
Оценим эффективность получения жидкого биотоплива из собственного сырья с организацией собственного производства древесной муки. Для идеализированных процессов «А» и «Б» за цену готовой продукции принята цена мазута, для продукта действующих установок принята цена 5000 руб./т, пропорционально теплоте сгорания. Расчет сведен в таблицу 7.
Приведенные в таблице 7 данные показывают, что в современных экономических реалиях эксплуатационные затраты на производство жидкого моторного топлива быстрым пиролизом древесины в 2 раза выше возможной цены реализации пиротоплива производителем. Следует отметить, что расчеты выполнены без учета выплаты процентов на заемные средства, использованные при строительстве установки быстрого пиролиза, что существенно увеличивает ежегодные затраты. Не учтены расходы на нейтрализацию и очистку пиротоплива, а также сепарацию углистого вещества и его очистку. С другой стороны предполагается, что углистое вещество может быть реализовано по цене качественного древесного угля.
Сравнение бионефти с ископаемой нефтью также не в пользу продукта быстрого пиролиза древесины. Себестоимость добычи нефти в России находится в диапазоне 2,5.7,3 [12], а по данным [14] 6.14 $/баррель. Согласно [17] в среднем это составляет 2848 руб./т. Транспортировка на 1000 км прибавляет к этой цене 385 рублей [17]. Таким образом, даже при транспортировке на дальние расстояния себестоимость ископаемой нефти в несколько раз меньше себестоимости бионефти в ме-
сте ее производства на современных установках. Расчет основных затрат на производство жидкого биотоплива Таблица 7
методом быстрого пиролиза древесины
Показатель | Процесс «А» | Процесс «Б» | Действующие установки
ПРОДУКЦИЯ
Пиротопливо, т 1,0 1,0 1,0
Уголь, т 0 1,248 0,22
Возможная цена реализации, руб./(т биотоплива) 10000+0 = 10 000 10000+1,248-6000 = 15 488 5000+0,21-6000 = 6 320
ЗАТРАТЫ
Расход древесного сырья, м3 7,41 14,5 4,33
Цена дровяной древесины, руб./ м3 (550 руб./скл. м3, 770 руб.м3) 5 706 11 165 3 334
Электроэнергия при производстве древесной муки (750 кВт-ч/т* по цене 4,0 0 руб./кВт-ч) 4,0-750-2,9=8700 4,0-750-5,7=17100 4,0-750-1,52=4560
Другие эксплуатационные затраты, руб./(т биотоплива) 1 660 1 660 1 660
ИТОГО 16 066 29 925 9 554
ПРИМЕЧАНИЕ. Для установок, использующих в качестве сырья не древесную муку, а щепу, расход электроэнергии аналогичен, так как в этом случае
наиболее вероятно применение пиролизеров с кипящим слоем, которые в значительных количествах
потребляют электроэнергию для поддержания непрерывного движения инертного материала слоя.
Только существенные меры государственного стимулирования производства жидкого моторного топлива из древесной биомассы могут дать этому направлению какие-то шансы на развитие в промышленных масштабах. Целесообразность подобных мер в условиях России вызывает самые серьезные сомнения.
Очевидно, что никогда не удастся провести процесс быстрого пиролиза по процессу «А» без
малейших потерь и образования побочных продуктов, так чтобы пиротопливо можно было продать хотя бы по цене мазута, не говоря уж о цене моторного топлива - бензина или дизтоплива, требования к которым постоянно ужесточаются. Но и в таком идеальном случае как показано выше, производство жидкого биотоплива из древесины не может быть рентабельно в современных экономических условиях России и в обозримой перспективе.
ЛИТЕРАТУРА
1. World Energy Outlook 2013.
2. Прохоров, В.Ю. Биотопливо в лесных машинах / В.Ю. Прохоров, Д. В. Акинин // Вестник МГУЛ -Лесной вестник. - 2010. - № 5 (74). С. 106-110.
3. Гайсина А. Р. Разработка методов оценки физико-химических свойств нефтяных углеводородных систем. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к. т. н. Уфа: УГНТУ, 2009, 24 с.
4. Левин А.Б.Энергетическое использование древесной биомассы: учебник / Ф. Б. Левин, Ю.П. Семенов, В.Г. Малинин, А.В. Хроменко; под ред. А.Б. Левина. - М.: ИНФРА-М, 2016. - 199 с.
5. Воскобойников И. В., Кондратюк В.А., Иванова М.А., Герман Л.С., Щелоков В.М. Теоретическое обоснование предельно возможного выходов моторных углеводородных топлив из биомассы древесины. // Лесной вестник, 2012. - №8 (91). - С.64-70
6. Тепловые и атомные электростанции: Справочник/ Под общ. Ред.В.А. Григорьева и В.М. Зорина.-М.: Энергоиздат, 1982. - 624 с.
7. Лесная биоэнергетика: учебное пособие / Под ред. Ю.П. Семенова.- 2-е изд.- М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2010. - 348 с.
8. Вторичные материальные ресурсы лесной и деревообрабатывающей промышленности: (Образование и использование). Справочник.- М.:Экономика, 1983.-224 с.
9. Теплотехнический справочник инженера лесного и деревообрабатывающего предприятия / Под ред. А.Б. Левина / 2-е изд., испр. - М.: МГУЛ, 2002. - 333 с.
10. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом и его использование.//Промышленная теплотехника. Киев - 2005. №4.
11. Тунцев Д.В. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза биомассы древесины. http://www.mgul.ac.ru/info/science/conf/mnpk/
12. Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Современные технологии получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Обзор. Часть 2. // Промышленная теплотехника (Киев) - 2005. Т. 27, №5.
13. Прохоров, В. Ю. Менеджмент качества сервисных услуг. Техническое регулирование при оценке качества продукции и услуг сервисных предприятий : учеб. пособие. - М. : ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - 87 с.
14. http://www.rbcdaily.ru/2 010/11/01/tek/5238 07
15. http://www.opec.ru/114 0 937.html
16. http://www.hotfront.ru/blog/category3/227/
17. http://www.transneft.ru/files/2 011-06/7OLRJIV85Hj1YNC.pdf
18. Прохоров, В.Ю. Автомобильные средства транспортирования нефтепродуктов для контейнерных АЗС / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2006. - Т. 1. - С. 79-80.
19. Прохоров, В.Ю. Пути реализации эффекта безызносности шарнирных сопряжений / Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2013. - Т. 1. - С. 43-46.
УДК 629.7
Халютин С.П., Халютина О.С.
ООО «Экспериментальная мастерская НаукаСофт», Москва, Россия
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ САМОЛЁТОВ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГЕ
Рассмотрены новые возможности, которые появляются при создании электрических и гибридных самолётов. Эти возможности связаны с использованием в качестве силовой установки электрических вентиляторных или винтовых движителей
Ключевые слова:
электрический самолёт, гибридный самолёт, электрическая тяга
Введение
Авиация в своём развитии подошла к тому рубежу, когда традиционные принципы создания самолётов исчерпали свои возможности по повышению эффективности, снижению вредных выбросов и шума. Электрификация бортового оборудования с существенным усложнением информационно-управляющих систем, улучшившая эти показатели, тоже имеет свои пределы. Электрификация современных самолётов с повышенной электрификацией оборудования (систем управления полётом, газотурбинных двигателей, системы жизнеобеспечения и др.), несмотря на существенное увеличение установленной мощности источников электроэнергии, не превышает 25% [1]. Следующим шагом к существенной электрификации самолётов и решении экологических проблем является переход на электрическую тягу [2, 3, 4], который предоставляет и новые возможности и ставит новые технические и технологические задачи.
Условия перехода на электрическую тягу
Создание самолётов на электрической тяге ограничивается возможностями электроприводов силовых установок, источников и накопителей электроэнергии, а также ограничениями по скорости вращения и эффективности винтов [5].
Проведённые исследования [6] влияния аэродинамических характеристик планеров и скорости полёта на требуемую мощность силовой установки (рис. 1) показали, что на современном уровне развития технологий создания источников, накопителей и преобразователей энергии, применение электрической тяги возможно на самолётах с полной массой до 1500 кг, летающих на крейсерской скорости до 200 км/час и с аэродинамическим качеством не менее 16.
Результаты исследований подтверждаются тем, что в настоящее время все созданные самолёты на электрической тяге (SportStar EPOS (рис. 2), Pipistrel Panthera Electro (рис. 3) и др.) соответствуют этим параметрам.
