Альтернативные моторные топлива для АПК из биологического сырья

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

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

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

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

В сельскохозяйственном производстве приоритет принадлежит биотопливу на основе растительных масел для дизельных двигателей – биодизельному топливу. Оно используется на практике в ряде стран как альтернатива обыкновенному дизелю. Лидером в этой области является Германия. Она производит 1300 тыс. тонн биодизельного топлива в год. Во Франции выпускают около 780 тыс. тонн, в Польше – 230 тыс. тонн. Интерес к этому виду топлива проявляют и в России [2].

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

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

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

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

Таблица 1

Показатели топлива на основе нефтяного и растительного сырья

 

Исходя из стоимости, доступности и физико-химических характеристик, наиболее подходящим для производства топлива является рапсовое масло, которое может быть использовано в качестве основы или компонента топлива.

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

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

1. Смесевое топливо, состоящее из смеси рапсового масла (РП) с дизельным топливом;
2. В виде метилового эфира рапсового масла (МЭРМ), получаемого при метанолизе рапсового масла.

Смесевое топливо по сравнению с МЭРМ имеет следующие преимущества: простая технология получения, реализуемая в сельскохозяйственном предприятии без накладных расходов; высокая стабильность в хранении, растворении на молекулярном уровне.

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

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

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

Таблица 2

Физико-химические показатели топлива

Показатели	Рапсовое масло	Смесь РП и дизельного топлива (75:25)	Дизельное топливо, (Л/З)
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	37,2	38,3	41,8
Плотность, кг/м3 (15 °С)	915	890	863,4/843,4*
Вязкость, мм2//с (20 оС)	78	38,2	3-6/1,8-5*
Температура, оС:
помутнения	-9	-9	-5/-25
застывания	-18	-16	-10/-35
Цетановое число	41	42	45*
Йодное число, г на 100 г топлива	9,7...10,3	9,0	6,0*
Кислотность, мг КОН на 100 см3	6,1	6,0	5,0*
Температура воспламенения, °С	593	583	543*
Содержание по массе, % :
углерода	78,3	80,3	86,4
водорода	12,8	12,95	12,1
кислорода	8,895	6,52	0
Коксуемость 10%-ного остатка, %, не более	0,43	0,4	0,2*
Массовая доля серы, %	0,05	0,16	0,01*

* – требования ГОСТ 305-2013.

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

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

Значения баланса массы и энергии продукции с 1 га посева рапса приведены для урожайности семян 25 ц/га и 30 % отжиме масла из семян. В данном случае потребляемая энергия солнца равна 36000 ГДж, затраты технических средств на выращивание рапса 15 ГДж. Энергоемкость полученных 2,5 т семян рапса составляет 61 ГДж, 4,7 т рапсовой соломы содержат 64,9 ГДж.

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

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

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

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

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

Таблица 3

Баланс энергии при производстве биотоплива

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

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

Учитывая больший выход энергии по топливной составляющей у смесевого топлива по сравнению с вариантом МЭРМ, более простую и дешевую технологию его получения в ВИМе проведены комплексные исследования по смесевому топливу с различным содержанием рапсового масла. Исследования проводились на двигателе Д-240 Минского моторного завода. При работе двигателя на биотопливе с содержанием масла от 0 до 100 % было установлено, что оптимальным составом смесевого топлива по параметрам рабочего процесса является содержание 75% рапсового масла.

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

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

Наибольший экономический эффект использования биотоплива в сельском хозяйстве обеспечивается при внутрихозяйственном способе производства его. С этой целью в Опытном проектно-конструкторско-технологическом бюро Сибирского научно-исследовательского и проектно-технологического института животноводства была разработана и изготовлена малотоннажная установка по производству биотоплива для малого сельскохозяйственного предприятия.

Учеными МГАУ имени В. П. Горячкина были проведены исследования по замене дизельного топлива на биодизельную смесь (при соотношении в ней компонентов 1:1). По результатам исследований, существенно улучшились экологические качества двигателя. Выбросы оксидов азота на номинальном режиме работы двигателя сократились на 15…20 %, сажи на 30…35 %, оксидов углерода и углеводородов на 10...15 % [8].

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

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

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

Биодизельное топливо можно заливать в бак, как в чистом виде, так и в качестве добавки к дизельному топливу (биодизельная смесь) в соотношении от 5 до 35% от объема. При этом, как утверждает большинство специалистов, никакой модификации обычного дизельного двигателя не требуется. Ученые свидетельствуют, что мощность двигателя при работе на биодизеле несколько снижается, и как следствие, на 5...8 % увеличивается расход горючего. Однако с помощью регулировки мощность мотора можно восстановить. Ресурс двигателя при использовании биодизеля не меняется. Биодизель имеет хорошие смазывающие свойства, чем выгодно отличается от солярки. Он продлевает жизнь двигателя, удаляя отложения нефтепродуктов на его деталях [12].

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

Список литературы

1. Белов М. Б., Варанкин М. В., Новицкий Я. Ю. Моторное топливо XXI века // Транспорт на альтернативном топливе. – 2014. – № 6 (42). – С. 14–19.
2. Перский С. Н., Беляев С. В., Селиверстов А. А. К вопросу развития энергосберегающих и экологически чистых технологий на транспорте // Инновационное развитие. – 2016. – № 4 (4). – С. 12–14.
3. Гафуров Н. М., Хисматуллин Р. Ф. Преимущества биодизельного топлива // Инновационная наука. – 2016. – № 5-2 (17). – С. 72–74.
4. Марков В. А., Девянин С. Н., Улюкина Е. А., Пуляев Н. Н. Использование смесей дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла в качестве моторного топлива // Грузовик. – 2016. – № 1. – С. 37–48.
5. Нагорнов С. А., Зазуля А. Н., Романцова С. В. О молекулярном составе биодизельного топлива // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. – 2013. – № 3. – С. 70–73.
6. Емельянов В. Е. Решение экологических проблем автотранспорта // Экология и промышленность России. – 2005. – № 4. – С. 36–37.
7. Емельянов В. Е., Туровский Ф. В. Реализация европейских программ по снижению вредных выбросов // Грузовое и легковое автохозяйство. – 2001. – № 11. – С. 37–40.
8. Малашенков К. А. Экономическая эффективность возделывания рапса в России // Экономические проблемы совершенствования деятельности предприятий АПК: Сборник научных трудов. – М. : Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина, 2000. – С. 38–44.
9. Савельев Г. С., Краснощеков Н. В. Биологическое моторное топливо для дизелей на основе рапсового масла // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2005. – № 10. – С. 11–16.
10. Систер В. Г., Иванникова Е. М., Ямчук А. И. Технологии получения биодизельного топлива // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. – 2013. – № 3 (17). Том 2. – С. 109–112.
11. Шилова Е. П. Биотопливо для мобильной сельскохозяйственной техники из возобновляемых источников энергии // Альтернативные виды топлива: производство и использование. – М. : Росинформаготех, 2007. – С. 38–45.
12. Богданов В. С., Пуляев Н. Н., Коротких Ю. С. Технологии и средства обеспечения качества топливно-смазочных материалов в АПК. – М.: ООО «УМЦ «Триада», 2016. ‑ 116 с.

Материал поступил в редакцию 12.01.2017
© Булеков Н. О., 2017