CC BY
53
УДК 621.436
ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАПСОВОГО БИОТОПЛИВА НА АВТОТРАКТОРНОЙ ТЕХНИКЕ
А. П. Уханов, В. А. Рачкин,
М. А. Уханов, Н. С. Киреева*
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», г. Пенза;
*ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА», г. Ульяновск
В статье описывается состояние мирового производства рапсового биотоплива, представлены технологическая схема, оборудование, энергетическая ценность и затраты энергии на его производство. Приводятся результаты моторных исследований дизеля Д-240 (4Ч11/12,5) при работе на биотопливных композициях, состоящих из метилового эфира рапсового масла и товарного дизельного топлива в различном процентном соотношении. Представлена структурная схема оценочных показателей эффективности использования рапсового биотоплива на различных этапах.
На сегодняшний день одним из альтернативных видов моторного топлива нефтяного (минерального) происхождения является биотопливо, производимое из семян масличных культур и, в первую очередь, из рапса.
Таблица 1
Объемы производства биотоплива в странах Европы, тыс. т
Страна Год
2002 2003 2004 2005 2006
Германия 450 1025 1088 1909 2681
Италия 210 420 419 827 857
Франция 366 500 502 532 775
Великобритания 3 5 15 129 445
Испания 100 224
Польша 100 150
Португалия 6 146
Австрия 25 50 100 125 134
Словакия 89 89
Бельгия 55 85
Дания 10 40 44 81 81
Греция 35 75
Швеция 1 8 8 12 52
Другие 46 72
Всего 1065 2048 2246 4228 6069
Считается, что ежегодно на производство биотоплива в мире расходуется до 200 млн. т зерновых и масличных культур, из которых получают около 10 млн. тонн моторного топлива. На долю Европейских стран приходится порядка 6 млн. т (табл. 1). В странах Европы лидерами по производству рапсового биотоплива являются Германия, Италия, Франция, Великобритания, Испания и ряд других стран. По оценкам специалистов, посевные площади, отводимые под рапс к 2010 году в странах Европейского Союза (ЕС) будут составлять не менее 20 % от площади пахотных земель.
Таким образом, в зарубежных странах уделяется большое внимание производству рапсового биотоплива для автотракторной техники. Во многих странах действуют законодательные акты, предусматривающие налоговые льготы, позволяющие ежегодно увеличивать объемы производства биотоплива. В нашей стране таких законодательных актов пока нет, что во многом предопределяет ее отставание от ведущих стран.
В России имеется незначительное опытное производство биотоплива, хотя объем производства рапсового масла составляет 250 тыс. тонн. К 2010 году объем производства биотоплива должен достичь 570 тыс. тонн, а в перспективе - до 1,35 млн. тонн в год.
Со 100 га посева рапса, например, сорта «Ратник», при урожайности 1,5 т/га можно собрать 150 т семян со средней маслянич-ностью 30 %, из них можно получить 50 т рапсового масла, а из него - 45 т метилового эфира рапсового масла (МЭРМ) (рис. 1). Биотопливо МЭРМ по своим физико-химическим свойствам близко к свойствам нефтяного дизельного топлива и может использоваться в двигателях без существенных конструктивных изменений.
Как показывает статистика, объемы мирового производства биотоплива за последние 5 лет значительно увеличились.
Рис. 1. Выход основной и побочной продукции со 100 гектаров посевов рапса
Кроме того, при производстве МЭРМ побочными продуктами являются глицерин и шрот. Глицерин широко применяется в медицине, ветеринарии и парфюмерии, а шрот является высококалорийной добавкой к кормам животных. Брикетированная солома рапса является экологически чистым топливом и может использоваться для отопительных нужд. Кроме того, корневая масса, оставшаяся после уборки посевов рапса, заменяет 3-5 т органического удобрения на 1 га. Попадая в почву, биотопливо не накапливается в ней и практически полностью за несколько дней биологически разлагается.
Следовательно, производство биотоплива МЭРМ является практически безотходным и возобновляемым, доступным для сельхозтоваропроизводителя, что делает его в определенной степени независимым от поставщиков нефтепродуктов.
Однако необходимо учитывать и следующие моменты: требуют строгого соблюдения и неукоснительного выполнения ряд технологических операций при посеве рапса и уходе за его посевами; при работе автотракторной техники на рапсовом биотопливе в отработавших газах наблюдается повышенное содержание оксидов азота, небольшое снижение мощности дизеля и увеличение удельного эффективного расхода топлива; кроме того, рапсовое биото-
пливо более агрессивно к резинотехническим изделиям, чем товарное дизельное топливо нефтяного происхождения.
Технологическая схема производства биотоплива МЭРМ включает в себя ряд операций: этерификацию (насыщение молекул рапсового масла метанолом в присутствии катализатора - щелочь калия КОН + фосфорная кислота), сепарацию (разделение на фракции) и очистку (рис. 2).
| Сепарация |
| Очистка | | Очистка |
Биотопливо
МЭРМ
Глицерин
Рис. 2. Технологическая схема производства биотоплива МЭРМ
В перечень оборудования, используемого при производстве биотоплива МЭРМ,
Рис. 3. Блок-схема оборудования для производства рапсового биотоплива МЭРМ:
1 - аппарат синтеза; 2 - аппарат сепарации; 3 - аппарат приготовления промывочных веществ; 4 - центрифуга; 5 - резервуар для хранения МЭРМ; 6 - резервуар для хранения Г-фазы; 7 - резервуар для хранения рапсового масла; 8 - резервуар для хранения метанола;
9 - насосы; 10 - емкость для хранения кислоты; 11 - мерник; 12 - мешалка;
13 - масложировые ТЭНы; 14 - весы; 15- емкость для хранения щелочи;
16 - система технологических трубопроводов и кранов
входят емкости для рапсового масла и метанола, насосы со счетчиками, аппараты синтеза с мешалкой, сепарации и приготовления промывочных веществ, аппарат очистки (центрифуга), емкости для МЭРМ и глицерина (рис. 3).
Для получения высококачественного биотоплива МЭРМ рапсовое масло подвергается рафинированию (высокой степени очистки) с затратами энергии 1,8 ГДж. Затраты энергии на этерификацию составляют 1,6 ГДж, на сепарацию и очистку -0,27 ГДж (рис. 4).
Рис. 4. Энергетическая ценность рапсового биотоплива МЭРМ
Результаты исследований показывают, что наилучшим заменителем нефтяного моторного топлива является смесевое минерально-растительное топливо, состоящее из товарного дизельного топлива и рапсового масла, или биотопливо МЭРМ.
Затраты энергии на производство сме-севого топлива (70 %ДТ+ 30 %РМ) составляют 28,2 ГДж/т при выходе энергии по топливу 40,3 ГДж/т, по шроту - 18,1 ГДж/т, по соломе - 13,8 ГДж/т (табл. 2).
Таблица 2
Энергетические затраты на производство рапсового биотоплива
Смесевое топливо (70 % дизельного топлива +30 % рапсового масла)
Затраты энергии, ГДж/т 28,2
Выход энергии, ГДж/т:
по смесевому топливу 40,3
по шроту 18,1
по соломе 13,8
Метиловый эфир рапсового масла
Затраты энергии, ГДж/т 47,75
Выход энергии, ГДж/т:
по МЭРМ 37,4
по шроту 18,1
по соломе 13,8
Для производства 1 тонны биотоплива МЭРМ требуется 47,75 ГДж/т энергии, при этом выход энергии составляет по топливу 37,4 ГДж/т, по шроту - 18,1 ГДж/т, по соломе - 13,8 ГДж/т.
Расчеты показывают, что себестоимость производства минерально-растительного топлива составляет 14 руб./кг, а биотоплива МЭРМ - 23 руб./кг.
Путем хроматографического анализа определен молекулярный состав биотоплива МЭРМ, а на его основе определены элементарный состав, низшая теплота сгорания и физические свойства (плотность, вязкость) минерально-растительного топлива в виде биотопливных композиций (табл. 3).
С целью экспериментальной оценки влияния биотопливных композиций (товарное дизельное топливо + МЭРМ) на мощ-ностные, экономические и экологические показатели скомплектована моторная установка, включающая дизель Д-240 (4Ч11/12,5), динамометрическую машину КБ-56/4, расходомер топлива и контрольно-измерительный комплекс, состоящий из прибора ИМД-ЦМ, ноутбука, аналогово-цифрового преобразователя, блока питания, тензо-станции 8АНЧ-7М, дымомера КИД-2, газоанализатора АВТОТЕСТ, датчиков давления газов и топлива.
Исследования дизеля проводились в условиях регуляторной характеристики с частотами вращения коленчатого вала от 1400 мин-1 (режим максимального крутящего момента) до 2200 мин-1 (режим номинальной мощности) с интервалом 200 мин-1 и в условиях нагрузочной характеристики с нагрузкой на тормозе стенда 80 %, 90 %, 100 % при разных частотах вращения коленчатого вала, а также в условиях характеристики холостого хода с частотами вращения коленчатого вала от 800 мин-1 (минимально-устойчивая частота вращения) до 2330 мин-1 (максимальная частота вращения).
На всех режимах, с целью более полного изучения протекания рабочего процесса внутри цилиндра дизеля, снимались осциллограммы давления топлива перед форсунками и индикаторные диаграммы рабочего цикла дизеля.
Мощностные, экономические и экологические показатели дизеля при работе на биотопливных композициях сравнивались на сходственных режимах с соответствующими показателями на товарном дизельном топливе нефтяного происхождения [1].
Таблица 3
Элементарный состав, низшая теплота сгорания и физические свойства биотоплива МЭРМ и биотопливных композиций на его основе
Вид Элементарный состав Низшая теплота Вязкость кине- Плотность,
топлива С Н О сгорания, МДЖ/кг матическая, мм2/с кг/м3
100 %ДТ - дизельное 0,87 0,126 0,004 42,437 4,2 0,826
100 %МЭРМ - рапсовое 0,7707 0,1206 0,1087 37,374 6,5 0,863
25 % МЭРМ + 75 % ДТ 0,8452 0,1246 0,0302 41,167 4,775 0,835
50 % МЭРМ + 50 % ДТ 0,8204 0,1233 0,0563 39,908 5,350 0,845
75 % МЭРМ + 25 % ДТ 0,7955 0,1220 0,0825 38,644 5,925 0,854
На всех частотах вращения коленчатого вала при 100 %-ной нагрузке наибольшую мощность дизель выдает при работе на товарном нефтяном дизельном топливе и несколько меньшую на биотопливных композициях. Причем по мере увеличения процентного содержания метилового эфира рапсового масла в смесевом топливе это различие возрастает, но не превышает 5 % (рис. 5).
На номинальном режиме максимальное снижение мощности и увеличение часового расхода топлива отмечается при работе на смеси 75 %МЭРМ+25 %ДТ. При этом мощность дизеля упала на 3,2 % (с 56,1 кВт до 54,3 кВт), а часовой расход топлива возрос на 8,3 % (с 15,02 кг/ч до 16,38 кг/ч).
Наименьшее снижение мощности (на
0,7 %) и повышение часового расхода топлива (на 3 %) на номинальном режиме наблюдается при работе дизеля на смесевом топливе 25 % МЭРМ + 75 % ДТ.
В условиях регуляторной характеристики дизеля при 100 %-ной нагрузке в диапазоне частот вращения от 1400 мин-1 до 2200 мин-1 максимальное давление цикла при работе на 100 % ДТ и на всех видах биодизеля возрастает. Однако с увеличением количества МЭРМ в смесевом топливе максимальное давление цикла уменьшается. Так, при работе на 100 % ДТ на номинальном режиме оно составило 7,54 МПа, на смеси 25 %МЭРМ+75 %ДТ - 2,292 МПа, на смеси 50 %МЭРМ+50 %ДТ - 7,108 МПа и на смеси 75 %МЭРМ+25 %ДТ - 7,0 МПа, т. е. наибольшее снижение максимального давления цикла составило 0,54 МПа.
С точки зрения экологических показателей, наименьшая концентрация вредных веществ в отработавших газах на номинальном режиме отмечается при работе дизеля на смесевом топливе 50 % МЭРМ + 50 % ДТ. По сравнению с работой на 100 % ДТ концентрация в отработавших газах оксида углерода снижается на 26 %, углеводородов - на 35 %, дымность (сажа) - на 14 %.
Обобщая полученные результаты исследований при работе дизеля на смесе-
вых топливах (биотопливных композициях) по сравнению с работой на товарном нефтяном дизельном топливе, можно сделать вывод: наилучшей смесью, с точки зрения наименьшего снижения мощности и повышения расхода топлива, является биотоп-ливная композиция 25 %МЭРМ + 75 % ДТ; по экологическим показателям наилучшей смесью является биотопливная композиция 50 % МЭРМ + 50 % ДТ.
На всех исследуемых нагрузочноскоростных режимах при работе дизеля на биотопливных композициях незначительное снижение мощности (на 1,6...4,8 %) и повышение часового расхода топлива (на 7.11 %) объясняется тем, что меньшая теплота сгорания смесевого топлива (теплотворная способность биодизеля) компенсируется большим процентным содержанием в нем свободного кислорода, участвующего в процессе сгорания.
Эффективность использования рапсового биодизельного топлива на автотракторной технике предлагается оценивать комплексом показателей на каждом из четырех этапов (рис. 6).
На первом этапе выполняется оценка физико-химических и теплотворных свойств рапсового биотоплива, выявляется соответствие этих свойств нефтяному (минеральному) дизельному топливу, производится выбор вида топлива (рапсовое масло, метиловый эфир рапсового масла или смесевое топливо) для дизеля с разделенной или неразделенной формой камеры сгорания, даются первичные рекомендации (направления) по адаптации дизеля к использованию биотоплива.
В настоящий момент для адаптации отечественных дизелей к использованию биотоплива без существенных конструктивных изменений наиболее приемлемым альтернативным видом топлива является смесевое топливо, представляющее собой биотопливную композицию из нефтяного товарного дизельного топлива и рапсового масла (или метилового эфира рапсового масла).
54
50
§ 46
<Ц
® 42 о
38
25%МЭ РМ+75%, ДТ Г
ДТ Ч
50% ШЗРМ+ 50%ДТ
75% МЗІ Д % % 5 ? 2 Т
1400 1600 1800 2000 2200
Частота вращения коленчатого вала, мин1 а) эффективная мощность
сЗ
М
К
&
ч
й
й
а
58
О
м
о
о
й
ЇҐ
Частота вращения коленчатого вала, мин 1 в) часовой расход топлива
Частота вращения коленчатого вала, мин"
д) содержание оксидов углерода
Частота вращения коленчатого вала, мин" в) максимальное давление цикла
0,0025
0х
и"
О
§ 0,002
Л
О
О
§ 0,0015
и
си
К
!§ 0,001 * а о
ч
6 0,0005
о4 «О 1ЗРМ+7 5%ДТ, ДТ
75%М. ЭРМ+25 %ДТ
50% МЗРМ+ 7 ' 50%ДТ
1400 1600 1800 2000 2200
Частота вращения коленчатого вала, мин
г) содержание углеводородов
-1
Частота вращения коленчатого вала, мин 1
е) дымность
Рис. 5. Изменение показателей дизеля 4Ч 11/12,5 (Д-240) в условиях регуляторной характеристики при работе на топливах различного состава
Рис. 6. Структурная схема оценочных показателей эффективности использования
рапсового биодизельного топлива
На втором этапе проводится экспериментальная оценка параметров топливо-подачи и рабочего цикла, индикаторных, эффективных и экологических показателей дизеля при работе на смесевом топливе. При этом выполняются сравнительные исследования топливной аппаратуры на безмоторном стенде, а также дизеля на тормозной установке при работе на нефтяном дизельном топливе и различных видах смесевого топлива. В результате проведения экспериментальных исследований определяется оптимальное процентное соотношение нефтяного и биологического топлив в смесевом топливе, выдаются практические рекомендации и технические решения по конструктивной адаптации дизеля к использованию смесевого топлива.
На третьем этапе оценивается технологический уровень и определяются техникоэкономические показатели машинно-тракторного агрегата (МТА) в условиях эксплуатации при работе на смесевом топливе. При этом устанавливаются оптимальные режимы выполнения того или иного технологического процесса, определяющие состав и рабочие скорости МТА, рассчитываются производительность и стоимость работ. Агротехнические свойства МТА (агротехнический просвет, защитная зона, среднее удельное давление движителей на почву, управляемость, обзорность с места водителя) практически не зависят от вида применяемого топлива, так как основное влияние на них оказывают конструктивные особенности машин, входящих в состав МТА. Однако если учитывать качество получаемого урожая по экологическому фактору, то при работе МТА на смесевом топливе ущерб урожаю будет меньшим, чем на нефтяном товарном дизельном топливе,
по причине наименьшего содержания в отработавших газах вредных веществ.
На четвертом этапе определяется технико-экономическая эффективность использования смесевого топлива. При этом планируется площадь для посева рапса с учетом годовой потребности с.-х. предприятия в биотопливе, урожайности, масля-ничности, выхода рапсового масла и производного от него биотоплива. Себестоимость рапсового биотоплива, а следовательно и смесевого топлива, будет зависеть от принятой технологии его производства. Основные затраты складываются из затрат на помещение, приборное оборудование и заработную плату, стоимости семян и электроэнергии. В свою очередь стоимость семян будет зависеть от стоимости посадочного материала, затрат на приобретение посадочной, обрабатывающей и уборочной техники, затрат на топливо, смазочные материалы и заработную плату. Дополнительные доходы: брикетированную рапсовую солому рекомендуется использовать для отопительных нужд; корневая масса, оставшаяся после уборки посевов рапса, эквивалентна 3-5 тоннам органического удобрения на один гектар площади; шрот (жмых) используется в качестве добавки к кормам животных, а глицерин - в ветеринарии, медицине и парфюмерии.
Литература
1. Уханов, А. П. Использование рапсового биотоплива на автотранспортной технике / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов и др. // Мат-лы III науч.-практ. конф., посв. 40-летию ФГНУ «Росинформагро-тех». Ч. I. - М.: Росинформагротех, 2007. -С. 163-173.
