Публикации » Технике - долгий век Альтернативный рапс

23 апреля 2008 г.

Из множества альтернативных источников энергии (солнечная, ветровая, энергия моря, газ и т.д.) наи­большее распространение для мобильных агрегатов, осо­бенно для автомобильного транспорта, получило исполь­зование газа в сжатом и сжиженном виде. Газ успешно ис­пользуется на транспортных средствах, оборудованных двигателями с искровым зажиганием. Возможно его ис­пользование на дизельных двигателях, которые будут ра­ботать по газодизельному циклу. Однако использование газа, особенно в сжатом виде, связано с решением ряда технических проблем, таких, как переоборудование транс­портного средства и размещение газовых баллонов на борту машинно-тракторного агрегата. Газ в сельском хо­зяйстве целесообразно использовать только при его комп­лексном применении, но развитие комплексных систем требует значительных инвестиций, которые в существую­щих экономических условиях не могут быть привлечены в ближайшей перспективе.

Одним из перспективных видов топлива является во­дород! Его низшая теплота сгорания в три раза больше, чем у бензина, но водород имеет низкую плотность, поэ­тому возникают серьезные технические проблемы с его хранением и использованием. В нашей стране и за рубе­жом рассматривались вопро­сы использования в качестве моторного топлива метанола. Метанол может применяться как в чистом виде, так и в смеси с углеводородным топли­вом. Однако при его использовании возникает ряд труд­ностей: во-первых, метанол является высокотоксичным спиртом, как в жидком, так и в газообразном состоянии; во-вторых, он затрудняет пуск двигателя при низких тем­пературах, в-третьих, возникает необходимость техничес­кого переоборудования и хранения метанола на борту.

Вопросу использования электрической энергии для машинно-тракторных агрегатов уделялось много внима­ния, но, к сожалению, электроагрегат можно назвать мо­бильным только условно, так как он находится в постоян­ной зависимости от источника электрической энергии.

Среди многообразия альтернативных источников энергии значительный интерес представляют виды топли­ва растительного происхождения, то есть полученные из растительного сырья.

Использование биологических видов топлива позво­ляет сохранять баланс углекислого газа в атмосфере, так как его выбросы при сжигании топлива из биологического сырья сопоставимы с количеством углекислого газа, погло­щаемого при выращивании этого вида сырья в процессе фотосинтеза. Вне сомнения, для выращивания сельскохо­зяйственных культур, являющихся сырьём для топлива, ис­пользуются вещества, необходимые для поддержания пло­дородия почвы. Однако урон, наносимый окружающей сре­де при их производстве, существенно ниже, чем при до­быче топливного сырья из недр земли.

Поэтому всё большее внимание привлекает возобнов­ляемое растительное и животное сырьё, которое способ­ствует созданию в биосфере замкнутого кругооборота ди­оксида углерода. Можно выделить два направления ис­пользования возобновляемого сырья:

- спиртовое топливо из сахарной свёклы, тростника, соломы и картофеля, а также биогазов и жидкого топлива (пиролиз сельскохозяйственных отходов и древесины);

-  получение топлива на основе растительных и жи­вотных жиров, а также использование маслоотходов, ос­тавшихся от приготовления пищи. В этом направлении основное место занимает использование растительных ма­сел с получением топлива типа бензина, дизельного и котельного.

Первое направление требует больших затрат энергии, поэтому установки имеют очень большой срок окупаемости.

Второе направление предпочтительнее первого, так как не требует таких больших затрат.

Возможно два основных пути практического примене­ния жидкого «биотоплива»: доведение его качества до уровня, идентичного нефтяным топливам; модификация конструкции двигателей.

Как таковые растительные масла (жиры) можно ис­пользовать лишь в качестве дизельного или котельного топлива. В этих случаях необходима либо очистка их от примесей путём фильтрации и центрифугирования, либо рафинация жиров. Для этих целей возможно применение подсолнечного, рапсового (с высоким содержанием эруковой кислоты), соевого, хлопкового, льняного, пальмово­го, сафлорового, арахисового и ряда других растительных масел.

По составу растительные масла близки друг к дру­гу, а от нефтяного топлива отличаются присутствием кислорода (9,6 — 11,5%).

Недостатками растительных жиров как топлива, по сравнению с нефтепродуктами, являются их меньшая теплота сгорания (на 7— 10%), более высокая (в 6 и бо­лее раз) вязкость, повышенная склонность к нагарооб-разованию, низкая испаряемость, а также возможность загрязнения моторного масла продуктами полимериза­ции триглицеридов. Поэтому большинство современ­ных дизельных двигателей может работать на чистых растительных маслах лишь короткое 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 диэстера). В Европе для промышленного использования разработано дизель­ное топливо DIESTER на основе метиловых эфиров расти­тельных масел. Его использование сокращает расход ди­зельного топлива до 30% (возможно применение как в чис­том виде, так и в смеси с нефтяным топливом 1:1).

Несмотря на то, что диэстер получается на основе рапсового масла, он имеет ряд отличий по своим хи­мико-физическим свойствам. У рапсового масла более высокая плотность и молекулярная мас­са, но вместе с тем температура его застывания и по­мутнения значительно ниже, чем у диэстера. Цетановое число рапсового масла также несколько ниже, чем у диэстера, но низшая теплота сгорания выше.

Различие в физических свойствах наглядно показыва­ет температура перегонки: точка начала крекинга у рапсо­вого масла в два раза ниже, чем у диэстера, а полный кре­кинг происходит при температуре перегонки только 50% диэстера. Однако все эти недостатки можно компенсиро­вать путём разбавления рапсового масла дизельным топ­ливом.

Необходимо отметить, что процесс производства рапсового масла в условиях отдельно взятого сельскохо­зяйственного предприятия достаточно прост и не требует сложного оборудования, а следовательно, и больших ка­питальных вложений. 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.

Рапс отличается большими потенциальными возмож­ностями, хорошо приспособлен к условиям умеренного климата Европы, так как, в отличие от других масличных культур, вызревает в северных районах.

Рапс как более характерная культура для европейско­го сельскохозяйственного производства отличается вы­сокой урожайностью — 30-35 ц/га (в перспективе 40 ц/га), высоким маслосодержанием — 41-45%, относи­тельно неприхотлив.

Важной особенностью рапсового масла является его более низкая, по сравнению с другими растительными маслами, температура застывания. Побочные продукты производства масла являются белковой кормовой добав­кой в рационе сельскохозяйственных животных, а глице­рин — сырьём для химической промышленности.

В качестве сырья для производства рапсового масла используют его семена. Выделение производится прес­сованием. Потери при этом составляют не более 5%.

По химическому составу рапсовое масло представ­ляет собой смесь триглицеридов различной молекуляр­ной массы. Триглицерид представляет собой три жировые кислоты, соединённые с молекулой глицерина.

Рапсовое масло имеет более высокую молекулярную массу и более длинную углеродную цепь по сравнению с дизельным топливом, что обуславливает их различные физико-химические свойства. Так, по элементному соста­ву в рапсовом масле несколько ниже содержание углерода и очень низкое содержание серы по сравнению с дизельным топливом. Самое большое отличие — сравни­тельно высокое содержание кислорода в этом масле, в то время как в дизельном топливе этот элемент отсутствует.

Наиболее простой и доступный способ использова­ния рапсового масла — разбавление его дизельным топ­ливом. Такая смесь получила название биодизельной. Экспериментальными исследованиями отечественных и зарубежных учёных установлено, что с ростом содержа­ния рапсового масла в биодизельной смеси продолжи­тельность её сгорания увеличивается и при содержании масла более 60% процесс сгорания не успевает закон­читься к моменту открытия выпускного клапана двигателя. Для уменьшения общей продолжительности сгорания в биодизельную смесь вводят активаторы сгорания, напри­мер, органическое соединение железа — ферроцен.

Замена дизельного топлива на биодизельную смесь (при соотношении в ней компонентов 1:1), по данным иностранных и российских исследований, существенно улучшила экологические качества дизеля. Выбросы окси­дов азота на номинальном режиме работы двигателя со­кратились на 15 — 20%, сажи — на 30 — 35%, оксидов уг­лерода и углеводородов — на 10 — 15%.

Растительные масла в настоящее время следует рас­сматривать не как самостоятельные виды топлива, а как добавки к традиционным топливам. Применение топлива растительного происхождения в существенной мере бу­дет зависеть от масштабов его производства и его себестоимости по сравнению с другими видами топлива.