Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 168.

Дизельные топлива… из растений?

Надвигающаяся угроза экологического кризиса вызывает необходимость поиска альтернативных топлив, использование которых будет способствовать снижению выбросов в атмосферу оксида и диоксида углерода, а также оксидов азота. В настоящее время за рубежом основным критерием при выборе альтернативных топлив считают возможность снижения выброса диоксида углерода на 20% (по сравнению с нефтяными топливами), а в будущем - до 50%. С этой точки зрения внимание зарубежных специалистов все больше привлекает возобновляемое растительное и животное сырье.

Еще сравнительно недавно аналитики делали вывод, что в ближайшее время растительные масла не смогут составить конкуренцию нефтяным дизельным топливам. Стоимость топлив на основе растительных масел и сейчас почти в 3 раза выше, чем нефтяных. Поэтому возможность использования их в качестве дизельных топлив в значительной степени зависит от мировых рыночных цен на нефтепродукты и пока представляет экономический интерес только для стран, в избытке располагающих растительными маслами. Ранее возможность широкого использования растительных масел (например, льняного) в качестве дизельных топлив допускалась лишь в критических ситуациях. В настоящее время такой ситуацией становится угроза глобального экологического кризиса.

В качестве моторного дизельного топлива возможно применение подсолнечного, рапсового, хлопкового, соевого, льняного, пальмового, арахисового и ряда других растительных масел, а также рыбьего жира – в натуральном виде, после специальной переработки или в смеси с нефтяными топливами или спиртами.



Чем растительные жиры отличаются от нефтепродуктов?

Основными недостатками растительных жиров по сравнению с нефтяными топливами являются их меньшая теплота сгорания (на 7‑10%), более высокая вязкость (в 2‑10 раз), повышенная склонность к нагарообразованию, а также возможность загрязнения моторного масла продуктами полимеризации.

Повышенный расход жиров из‑за их низкой энергоемкости особых проблем не вызывает вследствие более чистого выхлопа. Например, при использовании рапсового масла выброс оксида азота уменьшается на 50%. При нагревании в двигателе вязкость растительных масел значительно снижается и их способность к распылению приближается к показателям нефтяных топлив.

Снижение вязкости этих масел, а также коксообразования, достигается смешением с нефтепродуктами (например, смесь нефтяного дизельного топлива и соевого масла с пропорцией 2:1). Однако оптимальным вариантом будет здесь изменение конструкции дизельных двигателей. Например, использование форкамеры позволяет существенно уменьшить зависимость эксплуатационных характеристик топлива от его химического состава. С этой точки зрения большой интерес представляют исследования японских ученых по созданию универсального автомобиля, который смог бы работать на всех типах топлива, включая и растительные масла.

Животные жиры в качестве заменителей топлива исследованы в гораздо меньшей степени. Сведения о практическом их применении отсутствуют. Полагают, что при подборе оптимальных условий горения рыбий жир можно использовать в качестве компонента топлива. Однако указанная топливная смесь имеет существенные недостатки. При длительной непрерывной работе двигателя на рыбьем жире повышается риск его выхода из строя.



Рапсовое масло – оптимальный заменитель топлива

С современной точки зрения в качестве дизельного топлива оптимальным по доступности, стоимости, физико-химическим и экологическим характеристикам является рапсовое масло. Испытания рапсового масла как заменителя дизельного топлива на легковых и грузовых автомашинах с мощностью двигателей от 40 до 275 кВт в сельском и лесном хозяйстве Германии показали принципиальную возможность такой замены при некоторых конструкционных изменениях в двигателе.

Использование обезвоженного товарного рапсового масла (по большинству показателей качества близкого к нефтяному топливу) практически не влияет на мощностные характеристики двигателя. Следует отметить, что образование углеродистых отложений и потеря мощности дизеля с непосредственным впрыском топлива происходили при использовании льняного масла через 20 часов, а рапсового – через 100 ч. Расход же нефтяного топлива и рапсового масла примерно одинаков.

Однако практическая реализация новых разработок связана со значительными трудностями. Так, в Германии замена нефтяного дизельного топлива на рапсовое масло или получаемые на его основе сложные метиловые эфиры потребует существенного расширения посевных площадей под рапс. Только в сельском хозяйстве ФРГ (до объединения) потреблялось около 1,4 млн. т/год дизельного топлива, для замены которого необходимо увеличение существующих посевных площадей на 10% (около 12 млн. га). Затраты на производство рапсового масла значительно выше, чем стоимость нефтяного дизельного топлива, применяемого в сельском хозяйстве в настоящее время. При производстве сложных метиловых эфиров стоимость возрастает еще в большей степени.

Для практической реализации такой замены необходимы законодательные мероприятия. В настоящее время разведению рапса в Германии и Австрии способствует государственное финансирование. Министерство транспорта Швейцарии также приняло решение о финансовой поддержке фермеров, увеличивающих плантации рапса. Предполагается, что рапсовое масло в первую очередь будет предназначено для автобусов, эксплуатируемых в районах швейцарских курортов. Возможно, в дальнейшем использование этого топлива станет обязательным в столице страны на всех автомобилях с дизельными двигателями.



Технология производства бионефти

Технологии химической переработки растительных масел, теплота сгорания которых равна примерно 38…40 МДж/кг, пытаются использовать и в некоторых других европейских странах – Чехии, Франции, Финляндии. Так, в Чехии действует несколько предприятий, производящих от 300 до 30000 тонн биотоплива в год. Стоимость такого топлива, получаемого на основе синтеза рапсового масла, метанола и щелочи (КОН), превышает стойкость дизельного топлива примерно в 2 раза. Но правительство Чехии выделяет дотации предприятиям и кооперативам, производящим биотопливо и использующим его в сельскохозяйственном производстве.

Технология производства бионефти, разработанная специалистами Института сельскохозяйственной техники (Прага), заключается в следующем. Прошедшие предварительную послеуборочную обработку (двойную, воздушно-решетную и аспирационную, очистку и сушку) семена из хранилища подают в отделение прессования, где получают жом и масло. Жом измельчают, смешивают с другими концентратами в кормоцехе и в сухом виде скармливают животным.

Нерафинированное масло проходит частичную очистку от примесей (отстой, фильтрация) и с добавлением метанола и щелочи в охлажденном виде поступает в этерификационные реакторы, где обрабатывается сложными эфирами (продуктами соединения ортофосфорной кислоты со спиртом). В результате этерификации образуются бионефть (метилэфирная кислота) и нерафинированный глицерин (или простейший трех­атомный спирт, используемый в кожевенной, текстильной, бумажной промышленности, а также как компонент пищевых, фармацевтических и косметических продуктов).



Возможно ли применение биотоплива в России?

В России рапс издавна использовался в лучшем случае на корм скоту, а чаще рассматривался сельхозпроизводителями как обычное сорняковое растение. Росту производства рапса серьезно препятствует проблема усовершенствования технологий его переработки на отечественных заводах.

Кроме того, об экономических аспектах производства биотоплива из рапсового масла в условиях продолжающейся инфляции в нашей стране можно говорить лишь предположительно. Во‑первых, производство биотоплива на данном этапе следует рассматривать как опытное, находящееся в стадии исследований. Во‑вторых, нестабильность экономики затрудняет определение эффективности производства такого топлива, которая зависит в основном от стоимости сырья (семян рапса), компонентов для химической обработки рапсового масла (метанол, щелочь, фосфорная кислота и др.), капитальных затрат (технологическое оборудование, строения), а также от возможностей реализации готовой основной и побочной продукции.

Однако разработки технологий производства дизельного топлива из растительного сырья в нашей стране ведутся. И, несмотря на высокую стоимость такого топлива, его можно рассматривать как перспективное. Например, если рапсосеющие хозяйства и регионы освоят технологию производства биотоплива и будут иметь его «стратегический запас», они могут проводить весенне-полевые и уборочные работы независимо от поставок дизельного топлива.

Опыт использования моторного топлива из рапсового масла в дизельных двигателях свидетельствует о его соответствии по химическому составу ископаемому дизельному топливу и установленным стандартам. В экологическом же отношении биотопливо бесспорно превосходит дизельное, поскольку оно не оказывает отрицательного воздействия на окружающую среду.

Вероятно, растительные масла благодаря возобновляемости сырья могут в дальнейшем иметь наибольшее значение среди прочих альтернативных топлив. В некоторых регионах, в избытке располагающих растительным маслом, за счет него возможно практически полное обеспечение потребности в жидком топливе. Однако существуют и противоположные мнения. Окончательное заключение по эксплуатационным и экологическим свойствам таких топлив и в первую очередь по влиянию на автомобильный выхлоп, является важнейшей современной задачей.



Растительное масло как смазочный материал

В последние годы за рубежом резко возрос интерес к практическому использованию растительных масел и продуктов их переработки в качестве компонентов смазочных материалов.

Основным препятствием широкому применению растительных жиров в качестве смазочных материалов до недавнего времени являлась их относительно высокая стоимость и низкая термическая, антиокислительная и гидролитическая стабильность. Однако постоянство и возобновляемость сырьевых источников, экономические преимущества по сравнению с биоразлагаемыми синтетическими продуктами (сложные эфиры и др.) становятся сейчас важнейшими факторами, обусловливающими целесообразность применения жиров в качестве компонентов или самостоятельных смазочных материалов. Несомненно, что это направление представляет значительный интерес как для развитых, так и развивающихся стран. Последние в этом случае имеют возможность вместо импорта нефтяных (синтетических) смазочных материалов использовать собственную сельскохозяйственную продукцию. В европейских странах – членах ЕЭС важным основанием для технического применения растительного и животного сырья является также стремление избежать перепроизводства продуктов питания.

При использовании жиров в качестве смазочных материалов важны не только их высокая биоразлагаемость и отсутствие экотоксичности, но также физико-химические и эксплуатационные свойства.

На практике низкая стабильность жиров вызывает необходимость более частого (по сравнению с нефтяными маслами) отбора контрольных проб в условиях работы смазочного материала. При высоких температурах в узлах трения двигателей и механизмов образуются липкие остатки, трудно поддающиеся удалению. Для борьбы с образующимися продуктами окисления, гидролиза и полимеризации жиров целесообразно применение моюще-диспергирующих присадок.

Однако по трибологическим свойствам растительные жиры превосходят нефтяные масла. Высокая смазочная способность сложных эфиров дает возможность уменьшить использование химически активных присадок, что существенно увеличивает экологические преимущества жиров.

Применение растительных жиров вследствие их сравнительно невысокой антиокислительной и гидролитической стабильности ограничено – это гоночные автомобили и гидравлические установки, для которых характерны кратко­временные или незначительные нагрузки, процессы металлообработки, где необходима определенная степень разложения смазочного материала, двигатели и механизмы без системы смазки. В последнем случае преимущества жиров наиболее очевидны (двухтактные двигатели внутреннего сгорания, цепи и мотопилы, трелевочные тросы в лесной промышленности, открытые редукторы, пневматический инструмент). В Германии на эти цели ежегодно расходуется 35‑40 тыс. тонн смазочных материалов. В настоящее время они разрабатываются на основе рапсового масла.

Хорошие результаты получены при испытании растительных масел в гидравлических системах машин и механизмов лесного хозяйства и стройиндустрии, а также в стационарных промышленных установках (например, при изготовлении древесностружечных плит).

Замена нефтяных масел на растительные наиболее целесообразна в случае ограниченного срока работы первых. Так, срок службы нефтяных масел для гидравлических систем окорочных машин (для обработки бревен) из‑за опасности механического засорения и попадания влаги ограничивают 1‑2 тыс. часов, а это соответствует сроку службы растительного масла.

Хорошо зарекомендовали себя растительные масла также в строительном и горнодобывающем оборудовании, работающем в условиях высокой запыленности.

На основе растительных масел возможно приготовление консервационных средств для временной зашиты от коррозии (например, зимнее открытое хранение техники в сельском хозяйстве, лесной и строительной промышленности).

Кроме того, сырьем для производства смазочных материалов могут являться масла из семян растений, выращенных на территориях, загрязненных радионуклидами или тяжелыми металлами. Посев сельскохозяйственных культур в этом случае способствует постепенному очищению почвы, поскольку основная масса загрязнений концентрируется в стеблях, листьях и корнях растений, получаемые же растительные масла загрязнены в малой степени. Разработки в этой области успешно ведутся в США и Германии. Представляется, что метод может быть использован и в случае других загрязнений (например, нефтепродуктами).

Таким образом, накоплен положительный опыт использования жиров в качестве смазочных материалов, что позволяет считать весьма перспективным дальнейшее развитие исследований в этом направлении.

А.Ю. ЕВДОКИМОВ, И.Г. ФУКС и др. (Государственная академия нефти и газа им. Губкина)

Рапс – масличная и кормовая культура семейства крестоцветных. Его возделывают с незапамятных времен – в культуре он известен еще за четыре тысячелетия до нашей эры.

К середине XIX века рапс был в Европе распространенной культурой. Площадь под ним в одной только Германии достигала 300 тыс. га. Такое широкое распространение рапса объясняется использованием его масла для технических нужд.

В России к 1900г. посевы рапса достигали 357 тыс. га. Однако появление на международных рынках большого количества дешевых нефтепродуктов вызвало резкое падение объемов его возделывания. К началу 1950‑х производство рапса было почти полностью свернуто и возобновлено лишь два десятилетия назад. К 1990 г. его площади составляли 258 тыс. га.

Отведение под рапс рекордных площадей и исключительно высокие урожаи позволили довести мировое производство семян рапса в 1999 г. до 42,5 млн. тонн. Ведущие производители сегодня – Китай, Канада и Индия.

В 169 выпуске читайте: Выбор типа привода при строительстве мини-теплоэлектростанций