Энергетика и промышленность России - избранные материалы.

Биотопливо должно быть эффективным

Интерес к биотопливу вызван объективной необходимостью государств, не обладающих достаточными запасами природных энергоресурсов, поддерживать свою независимость от экспортеров нефти.

Приоритет биологическому топливу отдан не случайно. Во-первых, биологическое топливо – это тоже смесь горючих углеводородов. Во-вторых, в составе биотоплива отсутствуют многие экологически вредные элементы, содержащиеся в традиционном нефтяном горючем. В-третьих, биотопливо содержит большее количество кислорода, чем ископаемые горючие. В-четвертых, практически каждая страна обладает сырьем для получения этого вида горючего и имеет возможность его производства. И наконец, главное: сырье для производства биотоплива возобновляемо.



Что же такое биотопливо

Биологическим топливом является горючее животного или растительного происхождения. Как и традиционное углеводородное горючее, биотопливо бывает жидким, газообразным и твердым.

В последнее десятилетие за рубежом наибольший практический интерес проявляется к жидкому биологическому топливу, производимому из биомассы, семян и плодов пищевых и технических масличных культур, а также отходов пищевых масел. Широкое применение это горючее получило в странах Европейского союза (ЕС), на Украине, в Белоруссии, в Северной и Латинской Америке. Используется оно в основном в дизелях и котельных установках. В карбюраторных двигателях по ряду причин биотопливо пока не нашло широкого применения.

Необходимо отметить, что некоторые специалисты относят к биологическому топливу и топливные смеси нефтяных углеводородов и горючих жидкостей, например спиртов и эфиров, произведенных из растительного и животного сырья, что вовсе недопустимо. Эти смеси составляют отдельный вид топлив, в которых биологические углеводороды являются всего лишь присадкой к традиционному нефтяному топливу или компонентом топливной смеси, условия хранения, технологический цикл подготовки, а также процесс горения (реакция окисления) которых имеют принципиальные отличия. Незнание этого зачастую приводит к негативным последствиям с пожарами, поломкой техники и гибелью людей.

К биологическому горючему следует относить только топливо растительного или животного происхождения и топливные смеси на их основе. Топливные же смеси на основе нефтепродуктов и биологических присадок, вводимых, например, с целью повышения экологической чистоты, никакого отношения к биогорючим не имеют, а являются нефтяными топливами с присадками. К таким топливным смесям в настоящее время следует относить биобензин, биодизель, биомазут и бионефть.

Таким образом, необходимо различать традиционные нефтяные и биологические топлива, а также топливные смеси и биологические присадки.



Что еще надо знать о биотопливе

Биологическое топливо, наряду с очевидными преимуществами, обладает и целым рядом недостатков, присущих всем углеводородным горючим. Эти недостатки необходимо не только знать, но и учитывать при хранении и использовании данного вида топлива.

Так, биотопливо имеет в своем составе поверхностно-активные вещества, хорошо впитывающие воду, которая, как известно, наряду с другими негорючими химическими веществами и соединениями представляет собой негорючий балласт, снижающий теплотворную способность топлива. Кроме того, составляющие биотопливо углеводороды имеют разную молекулярную структуру и размеры, неодинаковое строение молекул, различные типы углеводородных соединений, что при применении для биотоплива традиционной технологии подготовки горючего к сжиганию не позволяет добиться получения однородной по структуре, гомогенной горючей смеси с оптимальным соотношением компонентов по всему объему горения. В связи с этим, несмотря на большее по сравнению с нефтяными углеводородами содержание в биотопливе кислорода, при его сжигании вынуждены завышать коэффициент избытка воздуха, однако и при этом процесс горения биотоплива может сопровождаться интенсивным образованием оксидов азота (NO_X), выделением сажи (С) и появлением копоти.

Использование биологического топлива, как показывает опыт эксплуатации топливосжигающих энергоустановок, напрямую зависит от температуры наружного воздуха. Так, уже при температурах ниже +10°С по причине низкого давления насыщенных паров и высокой теплоты испарения запуск карбюраторных двигателей при использовании в них спиртов становится практически невозможным. Запуск и работа дизелей на биотопливе, произведенном из маслянистых сельскохозяйственных культур, при небольших температурах наружного воздуха также невозможны из-за значительного снижения текучести топлива. Наиболее приспособленными к обработке биологического горючего и подготовке его к сжиганию оказались топливные системы котлов с механическими и паро-механическими форсунками.

Наряду с теплотворной способностью немаловажными свойствами любого топлива являются стабильность и коррозионная активность. Стабильность топлива – это его способность заданное время сохранять свои физическое состояние и физико-химические свойства в различных условиях хранения и транспортировки. Для повышения стабильности топлива в его состав вынуждены вводить специальные дорогостоящие присадки, что, в конечном итоге, значительно увеличивает стоимость горючего. К сожалению, многие виды биологического топлива и топливные смеси на их основе обладают низкой стабильностью (несколько часов), что также ограничивает область их практического применения.

Коррозионная активность топлива определяется наличием в его составе химически активных элементов, соединений и веществ, в частности органических кислот, воды и кислорода, способных к химическим реакциям с конструкционными материалами, применяемыми в элементах топливной системы и узлах топливосжигающей установки. Биотопливо, как правило, имеет кислотную основу и повышенное содержание кислорода, а следовательно, по сравнению с нефтяными углеводородами обладает более высокой коррозионной активностью. Сегодня известны случаи разрушения защитной оксидной пленки на поршнях и втулках цилиндров дизелей при использовании в них биотоплива.

В настоящее время бытует ошибочное мнение, что биологическое топливо более экологически безвредно для окружающей среды, чем нефтяные виды горючего. Но приставка «био» еще не означает, что биотопливо абсолютно экологически чистое горючее. Экологичность биотоплива, как и любого другого вида углеводородного топлива, проявляется в процессе его использования по прямому назначению, то есть непосредственно при сжигании, при этом уровень экологической чистоты горючего зависит в большей степени от качества организации процессов его подготовки и сжигания, нежели от вида топлива.

Одна из проблем работы с биотопливом заключается в отсутствии единых требований к качеству данного вида горючего, что затрудняет его широкое использование. Препятствием широкого внедрения биотоплива служит и низкая энергетическая ценность исходного сырья для его производства. Так, для получения 1 литра жидкого биотоплива требуется более 25 килограммов кукурузы, а из одной тонны рапсы можно произвести всего лишь около 60-70 литров рапсового масла. Это значит, что для производства больших (необходимых для потребления) объемов биотоплива требуется переработка огромного количества сырья, а следовательно, и значительные посевные площади для его воспроизводства.



В поисках стандартов

Не секрет, что каждый завод-изготовитель рекомендует использовать в произведенных им топливосжигающих установках углеводородное топливо или диапазон топлив, соответствующих определенным техническим требованиям. Эти рекомендации являются обязательными, поскольку вызваны рядом объективных причин. Во-первых, для каждого типа топливосжигающей установки можно применять определенный вид углеводородного топлива, поскольку универсального топлива для всех установок не существует. Во-вторых, в основу теплового расчета любой топливосжигающей установки положено значение теплотворной способности планируемого к использованию топлива. В-третьих, конструкционные материалы для изготовления элементов той или иной топливосжигающей установки выбираются исходя из коррозионной активности предполагаемого к использованию топлива и продуктов его сгорания. И наконец, эксплуатация любой топливосжигающей установки становится невозможной без высокой стабильности топлива, то есть без сохранения в течение заданного времени его качественных и количественных показателей.

Практическое использование биологического топлива выдвинуло целый спектр ранее неизвестных эксплуатационных проблем, связанных, прежде всего, с его физико-химическими свойствами и недостаточным знанием о них.

Таким образом, использование биотоплива в существующих топливосжигающих установках вызывает необходимость решения ряда сложных эксплуатационных проблем, без чего полноценная замена нефтяных горючих биологическим топливом становится невозможной.



Как сжигать биотопливо

Эффективность использования биотоплива может быть достигнута созданием топливосжигающих установок, рассчитанных на использование конкретного вида биотоплива, например спиртов, эфиров, рапсового, пальмового масла и т. п., или, другими словами, созданием принципиально новых топливосжигающих установок. Однако это требует значительного времени и больших затрат.

Другой вариант – оборудование существующих топливосжигающих установок несколькими топливными системами (так называемыми политопливными системами), способными обрабатывать и подавать на совместное или раздельное сжигание каждый отдельный вид биотоплива, например системой рапсового масла, системой метилового спирта и т. д. Аналоги подобных систем уже существуют. Политопливные системы давно применяются на отдельных крупных ТЭЦ (например, в Великобритании для обработки и подачи на сжигание традиционных видов углеводородного топлива). Хотя этот метод тоже не дешев.

Наконец, на топливосжигающих установках возможно внедрение одной многофункциональной топливной системы для обработки и подачи на сжигание всех видов биологического горючего. Аналог подобной системы уже разработан и проверен авторами в реальных условиях эксплуатации на котле.



Эффективность сжигания биотоплива можно повысить

Известно, что эффективность процесса сжигания любого вида углеводородного топлива, включая и биологическое, определяется, главным образом, качественными и количественными характеристиками приготавливаемой горючей смеси, отражающими однородность топливной структуры, дисперсность углеводородных молекул, равномерность смешения топлива и воздуха, гомогенность подаваемой на горение смеси, оптимальную концентрацию участвующих в реакции горения компонентов и др. Эти характеристики, в свою очередь, зависят от способа подготовки и схемы подачи горючего и окислителя в зону горения. Исходя из сказанного, одним из реальных направлений повышения эффективности сжигания биологического топлива является совершенствование процесса приготовления горючей смеси и внедрение новых схем ее подачи в зону горения.

Более эффективное сжигание углеводородов животного и растительного происхождения может быть достигнуто, например, при помощи струйного насоса-распылителя, использование которого позволяет не только устранить недостатки применяемой сегодня раздельной схемы подачи топлива и воздуха, но и отвести позитивную роль имеющейся в составе горючего воде. Насос-распылитель одновременно выполняет функции всасывания, смесителя, дозатора, диспергатора и распылителя, он реализует совместную схему подачи топлива и воздуха, при которой смешение горючего и окислителя происходит до зоны горения, а не в ней. В приемной камере насоса-распылителя молекулы биологического топлива подвергаются деструкции (расщеплению), образуя однородные молекулы меньшей массы и углеводородные радикалы, которые, активно соединяясь с водяными молекулами (при их наличии) и молекулярным кислородом, образуют мелкодисперсную, однородную насыщенную кислородом топливную смесь с заданным соотношением компонентов.

Струйный насос-распылитель прошел комплексные испытания и опытную эксплуатацию, в том числе и на сырой нефти, свойства и отдельные физико-химические показатели которой очень близки аналогичным свойствам и показателям большинства углеводородных смесей животного и растительного происхождения.

Опыт практического применения насоса-распылителя в реальных условиях показал его работоспособность, многофункциональность и универсальность, что дает основание говорить о возможности его адаптации к работе с различными видами биологического топлива.

К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, к. т. н. Евгений ДУБРОВИН

Как практически заменить дизтопливо биогорючим

Сжигать жидкое биотопливо в существующих топливосжигающих установках, как указано ранее, целесообразнее в составе топливных смесей, в связи с чем возникает необходимость подбора их компонентов и расчета количественного соотношения., а также определения вязкости и плотности смеси.

Для примера определим содержание компонентов биологического топлива из смеси рапсового масла и метилового спирта, которое предполагается использовать в дизеле вместо дизельного топлива (ГОСТ 4749-84).

Основным энергетическим показателем любого топлива является его теплотворная способность, поэтому в первую очередь рассчитывается содержание компонентов для обеспечения требуемой теплоты сгорания биосмеси.

Теплота сгорания дизельного топлива составляет около 41310 кДж/кг (ГОСТ 4749-84), рапсового масла – 43930 кДж/кг (ГОСТ 8988-2002), а метилового спирта – 27000 кДж/кг. Для получения биосмеси заданной калорийности (41310 кДж/кг) оптимальное содержание в ней рапсового масла должно составлять 84,5 процента, а метилового спирта соответственно – 15,5 процента.

Затем определяется температура вспышки биосмеси оптимального состава. С учетом температур вспышки рапсового масла, равной +138°С (ГОСТ 8988-2002), и метилового спирта – +17°С температура вспышки биосмеси с оптимальным соотношением компонентов составит около +119°С, что несколько больше температуры вспышки (+35°С – +90°С) дизельного топлива, соответствующего ГОСТу 4749-84.

Далее вычисляются вязкость и плотность смеси указанного состава при температуре +20°С.

При указанной температуре плотность биологической смеси составляет около 844 кг/м³, а вязкость – 5,54 сСт.

Сравнение вязкости (2,8-8,0 сСт) и плотности (830-860 кг/м³) дизельного топлива с аналогичными значениями показателей.биосмеси показывает, что, несмотря на превышение температуры вспышки, биотопливо такого состава способно заменить дизельное топливо (ГОСТ 4749-84), поскольку температура вспышки характеризует способность топлива к самовоспламенению при хранении в топливных емкостях.

Смешение компонентов и поддержание заданных свойств биосмеси могут быть достигнуты при помощи, например, реализации в технологическом цикле топливоподготовки процессов динамического хранения и струйно-кавитационной обработки смеси.

Аналогичным образом можно рассчитать содержание горючих смесей для котельных и газотурбинных установок.

Таким образом, к приготовлению того или иного вида биотоплива необходимо подходить не только с учетом его физико-химических свойств, но и конструктивных особенностей и технических характеристик как конкретной топливосжигающей установки, так и ее топливной системы.