ПРИГОТОВЛЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ КОТЕЛЬНЫХ И МОТОРНЫХ БИОТОПЛИВ ИЗ АЛЬГАМАССЫ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 13.12.12. Ред. рег. № 1476 The article has entered in publishing office 13.12.12. Ed. reg. No. 1476

УДК 620.97

ПРИГОТОВЛЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ КОТЕЛЬНЫХ И МОТОРНЫХ БИОТОПЛИВ ИЗ АЛЬГАМАССЫ

1 12 2 В.Г. Систер , Е.М. Иванникова , В.Г. Чирков , Ю.А. Кожевников

'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023 Москва, ул. Большая Семеновская, д. 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: vgs001@mail.ru, iegh510@yandex.ru 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: 8 (499) 171 1920, 8 (499) 170 5101, e-mail: viesh@dol.ru

Заключение совета рецензентов: 15.12.12 Заключение совета экспертов: 17.12.12 Принято к публикации: 19.12.12

Экспериментально показана возможность безотходной переработки биомассы микроводорослей с низким содержанием липидов в биотоплива третьего поколения. Методом низкотемпературного ультразвукового эмульгирования приготовлены образцы дизельного и котельного биотоплив на основе ультрадисперсных эмульсий и суспензий биомассы микроводорослей в стандартных топливах нефтяного происхождения. Исследование физико-химических параметров приготовленных образцов показало, что они могут быть использованы по назначению и обладают при этом более высокими экологическими характеристиками по сравнению со стандартными топливами.

Ключевые слова: биотопливо, фитомасса, микроводоросли, реактор, гомогенизация.

PREPARATION OF COMPOSITE ENGINE AND BOILER BIOFUELS

FROM ALGAE BIOMASS

V.G. Sister1, E.M. Ivannikova1, V.G. Chirkov2, Yu.A. Kozhevnikov2

'Moscow State University of mechanical engineering 38 B. Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russia Tel.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: vgs001@mail.ru, iegh510@yandex.ru 2All-Russian scientific research Institute of Agricultural Electrification 2, 1-st Veshnyakovski pas., Moscow, 109456, Russia Tel.: 8 (499) 171 1920, 8 (499) 170 5101, e-mail: viesh@dol.ru

Referred: 15.12.12 Expertise: 17.12.12 Accepted: 19.12.12

The possibility of wasteless conversion of algae biomass with low lipid content of into the 3rd generation biofuels has been experimentally shown. The samples of engine and boiler biofuels have been prepared on the basis of ultra-fine emulsions and suspensions of algae biomass components in the standard petroleum derived fuels using the low-temperature ultrasonic emulsification method. The physical and chemical properties of prepared biofuels have been studied. The analysis has shown that they can be used for the intended purposes and that their environmental safety parameters are essentially higher than those of conventional fuels.

Keywords: algae biomass, biofuel, ultra-fine emulsion/suspension, ultrasonic emulsification, environmental safety.

Введение

В последние годы наблюдается повышенный интерес к микроводорослям (МВ) как сырью для производства биотоплив. К преимуществам этого вида возобновляемого энергетического ресурса относят отсутствие территориальной конкуренции земледе-

лию и существенно более высокую по сравнению с традиционными сельхозкультурами продуктивность [1, 2]. В подавляющем большинстве исследования в области энергетического использования микроводорослей ориентированы на создание технологий промышленного производства биодизельного топлива третьего поколения на основе метиловых эфиров жи

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

рных кислот (МЭЖК), которые вырабатывают путем каталитической этерификации липидной фракции. В настоящей работе приведены результаты экспериментального исследования методов комплексной переработки фитомассы микроводорослей в моторное и котельное биотопливо.

Методика и процедура приготовления образцов биотоплива

Образцы дизельного и котельного биотоплива были получены методом ультразвуковой кавитаци-онной гомогенизации на основе ультрадисперсных эмульсий и суспензий компонентов фитомассы микроводорослей в стандартных углеводородных топли-вах. Ультразвуковая обработка приготовленных исходных смесей производилась на экспериментальной установке, включающей в себя сонохимический реактор на основе ультразвукового излучателя. Воздействие ультразвукового поля обеспечивает интенсификацию процессов разрушения растительной ткани органического сырья и массообменных процессов, способствуя полной гомогенизации многокомпонентных многофазных систем.

Подготовка проб масляного экстракта

Образцы композитного моторного дизельного биотоплива были получены на основе липидной составляющей фитомассы микроводорослей. Для этого были отобраны пробы сухого субстрата фитомассы микроводоросли Chlorella vulgaris. Пробы массой по 10 г смешивали с 50 мл петролейного эфира марки 40-70 (ТУ 6-02-1244-83) и помещали для извлечения масел в ультразвуковую ванну. Обработку в ультразвуковом поле проводили в течение 10-15 с. Сразу же по окончании процесса экстракции замеряли температуру взвеси. Экстракция производилась в трех режимах в УЗ-ваннах различных моделей (табл. 1).

Как видно из табл. 1, эффективность экстракции масел изменялась в зависимости от параметров режима обработки. Измерить объемную плотность мощности УЗ поля в процессе обработки не представлялось возможным. Тем не менее, уровни мощности в разных режимах можно сравнивать по температуре взвеси в момент выключения генератора. Если пренебречь зависимостью величины теплового потока в окружающую среду, то конечную температуру процесса можно считать пропорциональной поглощенной энергии звуковых волн.

Зависимость эффективности экстракции от режима УЗ обработки Dependence of extraction efficiency on the ultrasonic treatment conditions

Таблица 1

Table 1

Параметры режима обработки Коэффициент экстракции масел, %

Модель УЗ-ванны Паспортная мощность излучателя, Вт Конечная температура процесса, °С

(С-1) 50 64,3 37

(СТ-10/50) 60 37,8 27

(УЗВ-103) 50 24,3 22

Сонохимический реактор (ВИЭСХ) 50...400 - -

Из табл. 1 видно, что коэффициент экстракции растет с увеличением конечной температуры обработки, которая косвенно отражает величину объемной плотности ультразвукового поля.

Полученный описанным выше способом раствор масел микроводоросли в петролейном эфире (рис. 1) выдерживали в водяной ванне при температуре 4050 °С до полного выпаривания эфира.

Для приготовления образцов моторного дизельного биотоплива масляный экстракт микроводорослей добавляли в стандартное дизельное топливо ДТ/Л (ГОСТ 305-82) в количестве 5, 10, 25 и 50% от общего объема и обрабатывали в ультразвуковом сонохимическом реакторе с регулируемой мощностью (50-400 Вт) излучателя.

Рис. 1. Раствор масла микроводорослей в петролейном эфире Fig. 1. Microalgae oil solution in petroleum ether

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Обработка смеси в сонохимическом реакторе в течение 5-10 с обеспечивает полную гомогенизацию. На рис. 2 показаны приготовленные образцы композитного дизельного биотоплива с содержанием масла микроводорослей 5, 10, 25 и 50%.

a b

Рис. 2. Образцы композитного моторного биотоплива: а - образец до обработки; b, c, d и e - образцы

с содержанием масла 5, 10, 25 и 50% соответственно Fig. 2. Samples of composite biofuels: a - sample prior to treatment; b, c, d and e - samples with an oil content of 5, 10, 25 and 50%, respectively

Органическую массу микроводорослей, оставшуюся после экстракции масла, после испарения эфира замачивали в дистиллированной воде в объемном соотношении 1:10 и оставляли для набухания при комнатной температуре в течение суток, периодически перемешивая. Затем производили гомогенизацию смеси в сонохимическом реакторе в течение 30 с. На рис. 3 показан вид образца до обработки.

В полученную таким образом смесь добавляли мазут марки М 100 (ГОСТ 10585-99) и продолжали обработку в сонохимическом реакторе в течение 60300 с до получения однородной суспензии. Вид полученного таким способом образца композитного котельного биотоплива показан на рис. 4. Были приготовлены образцы с содержанием водно-органической суспензии 5, 10, 25 и 50% об.

I

Рис. 3. Субстрат отделенной от масел фитомассы микроводоросли Chlorella vulgaris в воде перед обработкой в сонохимическом реакторе Fig. 3. Phytomass substrate of Chlorella vulgaris microalgae separated from the oil in water before processing in sonochemical reactor

b

Рис. 4. Образцы композитного котельного биотоплива: а - время обработки 100 с; b - время обработки 300 с Fig. 4. Samples of composite boiler biofuel: а - processing time 100 s; b - processing time 300 s

Результаты исследования образцов

Исследованы элементный состав и основные нормируемые физико-химические параметры образцов композитного моторного и котельного биотоплива. Результаты исследования представлены в табл. 2 и 3.

Как видно из табл. 2, приготовленное композитное моторное биотопливо на основе фитомассы МВ имеет несколько более низкую теплотворную способность по сравнению со стандартным дизельным топливом при примерно одинаковых значениях це-танового числа. В то же время оно обладает более высокими эксплуатационными характеристиками по таким параметрам, как температура помутнения, температура застывания, содержание серы. Наиболее явно преимущества данного вида биотоплива перед стандартным дизельным топливом проявляются в существенно более низком содержании фактических смол. Так, при концентрации липидной фракции микроводоросли 50% содержание фактических смол в образцах композитного биотоплива вдвое меньше, чем в стандартном дизельном топливе, что обеспечивает значительное снижение выбросов твердых частиц и образование нагара при работе двигателя.

Jl 1 у; •у.

c d e

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 ЮС © Научно-технический центр «TATA», 2013 I w J

Таблица 2

Физико-химические параметры композитного моторного биотоплива

Table 2

Physico-chemical parameters of composite biofuels

Параметр Масло МВ Содержание масла МВ в дизельном композитном биотопливе, % ДТ/Л (ГОСТ 305-82)

50 25 10 5

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 36,4 39,1 40,4 41,3 41,5 41,8

Плотность, кг/м3 905 882 871 864 862 860

Температура, °С:

помутнения -8 -6 -6 -5 -5 -5

застывания -16 -13 -11 -11 -10 -10

Цетановое число 40 44 44 45 45 45

Йодное число, г/100 г 9,8 7,9 7,0 6,4 6,2 6,0

Кислотность, мг К0Н/100 см3 6,0 5,5 5,2 5,0 5,0 5,0

Температура вспышки в открытом тигле, °С 245 156 112 86 77 68

Элементный состав, %:

углерод 77,5 82,0 84,1 85,5 85,9 86,4

водород 12,0 12,0 12,1 12,1 12,1 12,1

кислород 9,5 4,8 2,4 0,9 0,5 0

Массовая доля серы, % 0,07 0,28 0,39 0,46 0,48 0,5

Содержание фактических смол, мг/100 см3 - 20 30 36 38 40

Таблица 3

Физико-химические параметры композитного котельного биотоплива

Table 3

Physico-chemical parameters of composite boiler biofuel

Параметр Содержание водной эмульсии МВ в котельном биотопливе, % Мазут М 100 (ГОСТ 10585-99)

25 10 5

Низшая теплота сгорания, МДж/кг 30,4 36,2 38,0 39,9

Плотность, кг/м3 992 991 990 -

Вязкость (80 °С), мм2/с 99 106 108 110

Температура застывания, °С 10,5 14,7 21,4 22

Температура вспышки в открытом тигле (не ниже), °С 101 108 109 110

Элементный состав, %:

углерод 58,5 70,2 74,1 78

водород 11,7 11,8 11,9 12

кислород 22 8,8 4,4 -

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Исследования физико-химических показателей образцов котельного биотоплива выявили соответствие их наиболее важных физико-химических характеристик условиям применения по назначению. Как и ожидалось, отмечено снижение теплотворной способности биотоплива с увеличением объемной доли водно-органической эмульсии, приготовленной на основе микроводорослей. В то же время в результате интенсивного ультразвукового воздействия в процессе гомогенизации снижается кинематическая вязкость котельного биотоплива по сравнению с исходным топочным мазутом. Кроме того, точки помутнения и застывания смещаются в область более низких значений.

Выводы

В результате проведенного исследования экспериментально показана возможность создания технологии комплексной безотходной переработки биомассы микроводорослей с низким содержанием ли-пидов в дизельное и котельное биотопливо третьего поколения. При этом могут использоваться низко-

температурные процессы приготовления ультрадисперсных топливных эмульсий методом ультразвукового кавитационного воздействия, не требующие применения катализаторов и обеспечивающие высокую энергетическую эффективность переработки.

Данная работа проводится, в том числе, при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение №14.В37.21.0150).

Список литературы

1. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Плотников С.П., Чирков В.Г., Росс М.Ю. Использование адаптивных свойств микроводорослей при производстве фито-массы биотопливного назначения // Экология и промышленность России. 2012. № 7. С. 18-21.

2. Систер В.Г., Иванникова Е.М., Чирков В.Г., Нургалиев И.С., Горностаев А.Н. Комплексная методика дистанционного обследования водоемов по производству фитомассы микроводорослей биотопливного назначения // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. №05-06. С. 168-174.

НАНОТЕХНОЛОГИИ - ПРОИЗВОДСТВУ 2013 IX-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ И ВЫСТАВКА

Время проведения: 10 - 12.04.2013

Место проведения: Московская обл., наукоград Фрязино Тема: Энергетика

Организаторы: Торгово-промышленная палата Российской Федерации, Фонд инфраструктурных и образовательных программ РОСНАНО, Администрация г. Фрязино, Национальная ассоциация наноиндустрии, ЗАО "Концерн Наноиндустрия".

Тематика

- инженерные технологии наноразмерного диапазона;

- моделирование нанопроцессов и наноструктур;

- применения наноструктур, наноматериалы и нанопокрытия;

- нанотехнологическое оборудование

- нанотехнологии для медицины и биотехнологий;

- нанотехнологии для экологии: утилизация и переработка отходов, снижение вредных выбросов в атмосферу;

- нанотехнологии для ТЭК: ресурсосбережение, альтернативные источники энергии;

- нанотехнологии в строительных материалах и конструкциях;

- нанотехнологии в ЖКХ;

- нанотехнологии для агропромышленного комплекса;

- нанотехнологии в машиностроении;

- нанотехнологии в металлургии;

- риски, связанные с нанотехнологиями, нанотоксикология.

Справки по телефонам

+7 (499) 135-98-60, 135-80-90, моб. 8-903-266-22-22 E-mail: nanotech@nanotech.ru, dmitrysokolov@list.ru Вся информация по вопросам организации конференции размещается по мере готовности на сайте http://www.nanotech.ru/fr-2013

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 Ю7 © Научно-технический центр «TATA», 2013 l\Jf