Главная страница
Сведения об авторах

БИОМАССА. ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ДРУГИЕ ПУТИ УТИЛИЗАЦИИ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ В УКРАИНЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА

Семенов В. Г., Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина

Украина покрывает потребности в топливно-энергетических ресурсах лишь на 53% (импортирует 75% необходимого объема природного газа и 85% сырой нефти и нефтепродуктов). В развитых странах зависимость от импорта нефти, цены на которую постоянно растут, и значительная экологическая опасность при использовании нефтепродуктов стимулируют интенсивный поиск альтернативных источников энергии. Ситуация, в которой находится Украина, может сравниться с той, в которой оказалось мировое сообщество в 1973—1974 гг. Для Украины наступило время развивать собственные мощности для производства биодизельного топлива из возобновляемых сырьевых ресурсов.
Биодизельное топливо (БД) — это экологически чистый вид топлива, получаемый из жиров растительного и животного происхождения и используемый для замены нефтяного дизельного топлива (ДТ). С химической точки зрения биодизельное топливо представляет собой смесь метиловых (этиловых) эфиров насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. В процессе реакции переэтерификации масла жиры вступают в реакцию с метиловым (этиловым) спиртом в присутствии катализатора (щелочи), в результате чего образуются сложные эфиры, а также глице-роловая фаза: глицерина — 56, метанола — 4, жирных кислот — 13, воды — 8, неорганических солей — 9, эфиров — 10%. Для получения 1 000 кг (1 136 л) биодизельного топлива необходимо 50 кВт•ч тепловой энергии и 25 кВт•ч электроэнергии, 1 040 кг (1 143 л) рапсового масла, 144 кг (114 л) 99,8%-ного метанола, 19 кг 88%-ного гидрооксида калия, 6 кг вспомогательного фильтрующего материала, 105 кг воды. При этом кроме биодизельного топлива образуется около 200 кг сырого глицерина и 117 кг воды.
Биодизельное топливо может использоваться в любых дизельных двигателях (вихрекамерных и предкамерных, а также с непосредственным впрыском) как самостоятельно в адаптированных двигателях, так и в смеси с дизельным топливом без внесения изменения в конструкцию двигателя.
К составляющим сырьевой базы для производства биодизельного топлива в Украине можно отнести масла, получаемые из семян маслосодержащих растений, «мультисырье» мясокомбинатов (жиры животных), фритюрный жир и др.
Принимая во внимание опыт европейских государств, производство биодизельного топлива в Украине можно организовать на малотоннажных установках для фермеров, региональных (областных) заводах, заводах государственного значения с производительностью 300—3000, 10000-30000 и 50000-100000 т/год соответственно.
В соответствии с Программой развития производства биодизельного топлива на период до 2010 г. Украина должна производить и потреблять в 2010 г. более 520 тыс. т биодизельного топлива, что потребует обеспечения валового сбора семян рапса на уровне 1,7—1,8 млн т. При урожайности рапса в среднем 20 ц/га необходимо засеять 0,85—0,9 млн га пашни, что составляет около 3% общей площади (33,8 млн га) пахотных земель Украины. Замена биодизелем 1 870 тыс. т/год дизельного топлива в АПК Украины позволит обеспечить сельскохозяйственную технику бинарным топливом, состоящим на 30% из БД и на 70% из ДТ.
Предъявляемые к семенам рапса и рапсовому маслу требования, обеспечение которых позволит получить биодизельное топливо, соответствующее европейскому стандарту ЕN 14214:2003, следующие. Очищенные семена рапса: масличность — 40—44; влажность — около 6—7; содержание ffa (свободных жирных кислот) — менее 3% (6 мг КОН/г); температура семян — 20—30 °С; загрязненность — около 0,5%. Холоднопрессованное фильтрованное рапсовое масло: йодное число — 110—115 г J₂/100 г; влажность — максимум 0,05%; содержание ffa — максимум 0,65% (1,3 мг КОН/г); пероксидное число — 1—2 (максимум 3); загрязненности нет; число омыления — 187—191; фосфатиды в качестве фосфора — максимум 20 мг/кг; минимальная температура — 20 °С. Образец рапсового масла, поступающего в установку для получения биодизельного топлива (жирно-кислотный состав), %: С14:0 — 0,1; С16:0 — 5,0; С16:1 — 0,7; С17:0 — 0,1; С17:1 - 0,2; С18:0 - 1,8; С18:1 - 57,9; С18:2 - 21,0; С18:3 - 10,3; С20:0 - 0,6; С20:1 - 1,4; С22:0 - 0,3; С22:1 - 0,6.
Лучшие условия в Украине для выращивания озимого рапса имеются во Львовской, Ивано-Франковской, Тернопольской, Хмельницкой, Винницкой, Киевской, Ровненской и Волынской областях; для ярового — в Кировоградской, Киевской, Черкасской, Одесской, Херсонской, Полтавской, Черниговской, Сумской, Харьковской областях и в Крыму.
В странах ЕС производству биодизельного топлива оказывается существенная государственная поддержка. В Германии биотопливо не облагается минеральными и экологическими налогами, существует система дотирования выращивания рапса; во Франции налоговая скидка составляет 0,35 евро/л биодизельного топлива; в Испании автомобилистам, использующим биотопливо, разрешена бесплатная внутригородская парковка. В целом в Европе 1 л биодизельного топлива на 0,10—0,15 евро дешевле, чем дизельного. В Украине, по различным данным, себестоимость 1 л биодизельного топлива составляет от 2,2 до 3,0 грн. Стоимость БД зависит от ряда факторов: урожайности рапса, эффективности использования соломы и шрота, стоимости химических ингредиентов (метанола и щелочи), качества технологического процесса получения биодизеля.
В ряде зарубежных публикаций содержится информация о том, что сравнительные испытания на дизельном и биодизельном топливе не выявили существенных отличий в поведении двигателей. Это можно объяснить хорошим качеством испытываемого биотоплива, которое обеспечивается жесткими требованиями к его химмотологическим показателям, заложенным в национальных стандартах. Для успешного продвижения биодизеля в АПК Украины необходимо разработать и утвердить государственные стандарты на биодизель и его бинарные смеси с дизельным топливом. Первые шаги в этом направлении сделаны в НТУ «ХПИ» (г. Харьков).
В таблице приведены европейский стандарт EN 14214 : 2003 на биодизель и ДСТУ 3868-99 на дизельное топливо.

Физико-химические показатели биодизельного и дизельного топлива

На первом этапе разработки государственной нормативной документации на биодизельное топливо 12 показателей EN 14214 : 2003 можно определять методами испытаний, приведенными в ДСТУ 3868-99. Для определения остальных показателей используются стандарты EN и ISO, аппаратное обеспечение и методологическое содержание которых необходимо адаптировать к приборам и методикам, используемым в научно-исследовательских учреждениях Украины.
Далее рассмотрено влияние на параметры дизеля и его эколого-эксплуатационные характеристики некоторых физико-химических показателей биодизельного топлива, определяемых стандартом EN 14214 : 2003.
По сравнению с дизельным топливом биодизель имеет на 10% большую плотность и в 1,5 раза большую кинематическую вязкость. Это способствует некоторому увеличению (на 14%) дальнобойности топливного факела и диаметра капель распыленного топлива, что может привести к повышению количества биодизельного топлива, попадающего на стенки камеры сгорания и гильзы цилиндра. Меньшее значение коэффициента сжимаемости БТ приводит к увеличению действительного угла опережения впрыскивания топлива и максимального давления в форсунке. Высокое цетановое число (51 и более) способствует сокращению периода задержки воспламенения и менее «жесткой» работе дизеля. Более высокая (почти в 3 раза) температура вспышки в закрытом тигле повышает пожаробезопасность. Наличие кислорода (~ 10%) в молекуле метилового эфира интенсифицирует процесс сгорания и обеспечивает более высокую температуру в цилиндре дизеля. Это, с одной стороны, способствует повышению индикаторного и эффективного КПД двигателя, а с другой, — приводит к некоторому увеличению оксида азота NOx в отработавших газах. Меньшая доля углерода (~ 77%) в молекуле биодизельного топлива обусловливает падение низшей теплоты сгорания на 13—15% и увеличение расхода топлива.
Для сохранения номинальных параметров двигателя при переводе на биодизельное топливо требуется перерегулировка топливной аппаратуры (упор рейки топливного насоса высокого давления переустанавливают на увеличение цикловой подачи топлива).
Применение биодизельного топлива позволяет обеспечить снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Для дизельных двигателей с вихревой камерой (предкамерой) и непосредственным впрыском снижение соответственно составляет: СО — 12—10, С_nН_m — 35—10, РМ (твердые частицы) — 36—24, сажа — 50—52%. Некоторый рост выбросов NO_x можно компенсировать рядом мероприятий — уменьшением действительного угла опережения впрыскивания топлива, рециркуляцией отработавших газов, подачей воды на впуске.
Перед началом эксплуатации двигателя на биодизельном топливе необходимо промыть фильтр грубой и тонкой очистки топлива. Из-за повышенной агрессивности БТ требуется смена топливных шлангов и прокладок на изготовленные из устойчивого к нему материала, а также тщательное удаление БТ, попавшего на лакокрасочные покрытия. В некоторых случаях требуется более частая смена моторного масла из-за разжижения биодизельным топливом, попадающим в него. Возможно некоторое увеличение уровня шума и дымности при холодном пуске; при пониженных температурах требуется применение депрессорных присадок. Вследствие большой гигроскопичности биодизельного топлива необходимо осуществлять контроль содержания воды в нем, чтобы предотвратить развитие микроорганизмов, образование перекисей и коррозионное воздействие воды, в том числе и на элементы топливной аппаратуры.
Производство и применение биодизельного топлива в Украине позволит радикальным образом решить эколого-энергетические проблемы экономики нашего государства.

THE STATUS AND PERSPECTIVES OF MANUFACTURE AND APPLICATION OF ENVIRONMENTALLY CLEAN BIODIESEL FUEL IN UKRAINE

Semenov V. G., National Тechnical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, Ukraine

About 80% of mechanical energy used to meet energy demands of various human activities is generated by internal combustion engines (ICE). These engines are major consumers of fossil fuel, which is a progressively depleting and limited resource. The search of reliable fossil fuel supplies is a crucial issue for all oil importing countries, including Ukraine. Therefore it is imperative to encourage and promote scientific research and practical actions aiming to identify efficient options for producing alternative fuel from organic oils of plant and animal origin.

Главная страница

Сведения об авторах

Семенов Владимир Григорьевич, канд. техн., наук, доц., кафедра двигателей внутреннего сгорания, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина. Тел. (057) 707-60-89, тел. моб. (050) 985-15-77. E-mail₁, e-mail₂

© Независимое агентство экологической информации

Последние изменения внесены 12.07.07