Текст книги "Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография"

Бутанол выделяет при сгорании 36 MJ/кг (15,500 BTU/lb). Это может быть выражено объемным способом как 29,2 MJ/литр (104,800 BTU/амер. галлон).

Переключив бензиновый двигатель на бутанол, как результат, можно получить увеличение потребления топлива около 10 %, но бутанольный эффект для пройденного автомобилем расстояния должен быть дополнительно определен научным анализом. Энергетическая плотность для любой смеси бензина и бутанола может быть вычислена, тестирование других спиртовых топлив продемонстрировало, что эффект в экономии топлива не пропорционален изменению энергетической плотности.[28].[

Октановое число бутанола подобно тому же числу для бензина, но ниже, чем для этанола и метанола. Бутанол имеет RON (Octane number by the Research method или Исследовательское Октановое Число – ИОЧ и) 96 и MON – motor octane number-или МОЧ – моторное октановое число) 78, тогда как трет-бутанол имеет октановое число 105 RON и 89 MON. [7] Трет-бутанол используется как добавка в бензин, но не может быть использован как топливо в чистом виде, поскольку его точка плавления – 25,5 °C. Другими словами, когда холодно, трет-бутанол превращается в гель. [8]Топливо с более высоким октановым числом менее склонно к детонации (чрезвычайно быстрому самовозгоранию от сжатием) и управляющая система любого современного двигателя может иметь преимущество, если перед этим отрегулировать синхронизацию зажигания. Это улучшит энергетическую эффективность, ведущую к лучшей экономии топлива. Увеличивая коэффициент сжатия, увеличивается экономия топлива, мощность и вращающий момент. И наоборот, топливо с более низким октановым числом более склонное к детонации и уменьшит эффективность, поскольку детонация может нанести ущерб мотору.

Спиртовое топливо, включая бутанол и этанол, частично окислено и следовательно нужно работать с более богатыми смесями, чем бензин. Стандартные бензиновые двигатели в автомобилях могут регулировать воздушно-топливный коэффициент, соответственно изменяя топливо, но только в определенных пределах в зависимости от модели. Если предел двигателя превышен, то работая на чистом бутаноле или бензиновой смеси с высоким процентом бутанола, двигатель работает на бедной смеси, что может повредить его. По сравнению с этанолом, бутанол может быть смешан с бензином с более высоким коэффициентом для использования в существующих автомобилях без необходимости в переделке, поскольку воздушно-топливный коэффициент и энергетическое содержимое – ближе к тому же самому бензину. [7-28]

Спиртовое топливо имеет меньше энергии на единицу веса и объема, чем бензин, но в то же самое время требует более богатой смеси. Чтобы сравнить чистую энергию произведенную за цикл иногда используется мера названная специфической энергией топлива. Она определена как произведенная энергия на воздушно-топливный коэффициент. Чистая энергия произведенная за цикл более высокая для бутанола, чем этанола или метанола и приблизительно на 10 % выше, чем для бензина.

Таблица 7-2

Вязкость бензина, дизельного топлива и первичных спиртов

Название Кинематическая вязкость при 20 °C

Бутанол 3.64 cSt

Этанол 1.52 «

Метанол 0.64 «

Бензин 0.4–0.8 «

Дизель >3 «

Вода 1.0 «

Вязкость спиртов увеличивается с увеличением длины углеродной цепи. По этой причине, бутанол используют как альтернативу для коротких спиртов, – когда желателен более вязкий растворитель. Кинематическая вязкость бутанола в несколько раз выше, чем у бензин и почти такая же, как у высококачественного дизельного топлива.[7-28]

Тепло парообразования бутанола.

Топливо в двигателе должно быть испарено прежде, чем сгорит. Недостаточное парообразование является известной проблемой со спиртовым топливом при холодной погоде. Так как латентное тепло парообразования бутанола – меньше, чем половина того же самого для этанола, то двигатель, работающий на бутаноле, должен легче запуститься при холодной погоде, чем, работая на этаноле или метаноле.[7-28]

Потенциальные проблемы с использованием бутанола подобны этанолу:

• Для того, чтобы соответствовать характеристикам горения бензина, использование бутанольного топлива как заменителя бензина требует увеличения топливо-потока.

• Топлива на основе спирта – не совместимы с некоторыми компонентами топливных систем.

• Спиртовое топливо может вызвать ошибочное газовое считывание измерителя в машины с уровнем топлива емкости gauging.

• Вязкость бутанола значительно выше, чем у бензина или этанола, что может иметь отрицательные эффекты в топливной системе.

Стандарты для стыковки этанола и метанола в бензине существуют во многих странах, включая EU, США и Бразилию. Приблизительные эквиваленты бутанольной смеси могут быть вычислены из отношений между стохометрическим топливом-воздушным коэффициентом бутанола, этанола и бензина. Смеси этанольного топлива с бензином к настоящему времени продаются с дипазоном от 5 % до 20 %. Доля бутанола может быть больше на 60 %, чем эквивалентное содержание этанола, которое имеет дипазон от 8 % до 32 %. «Эквивалент» в этом случае отмечает только способность машин к регулировке топлива. Другие свойства бутанола, как например, энергетическая плотность, вязкость и теплота парообразования может изменить предельный процент бутанола в топливной смеси с бензином.

В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, в меньшей степени склонна к расслоению, чем смеси этанола/бензина, и потому это позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции, не требуя модификаций установок для смешивания, хранилищ или заправок.

Как ожидается, в отличие от существующих биотоплив, биобутанол потенциально может быть транспортирован по трубопроводам; т. е. он может быть быстро добавлен к бензину, и это позволит избежать потребности в дополнительной крупномасштабной инфраструктуре поставки.

Биобутанол также улучшает показатели этаноловых смесей за счет того, что помимо прочего, он имеет низкое давление насыщенного пара, что снимает одну из проблем, сдерживающую широкое применение этанола в рамках существующих каналов дистрибуции бензина. [27].

Диметиловый эфир (C₂H₆O) (метиловый эфир, метоксиметан, древесный эфир) Н₃С-О-СН₃ – широко применяемый на практике простой эфир.

Бесцветный газ с характерным запахом, химически инертный

Температура плавления – (-138,5)°C

Температура кипения – (-24,9)°C

Плотность при нормальных условиях – 2,1098 кг/м³ (в 1,63 раза тяжелее воздуха)

Плотность в жидкой фазе – 0,668 г/см³

Критическая температура – +127,0 °C

Критическое давление – 53 атм

Критическая плотность – 0,272 г/см³

Растворимость в воде – 3700 мл/100 мл при 18 °C

Растворим в метиловом и этиловом спирте, толуоле

Диметиловый эфир (ДМЭ) – C₂H₆O.

Рис. 7-22. Объемная формула ДМЭ.

Может производиться из угля, природного газа, из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозобумажного производства. Сжижается при небольшом давлении.

Диметиловый эфир – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу.

В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Департамент транспорта и связи Москвы подготовил проект постановления городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива».

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.

Существует несколько способов получения диметилового эфира. Первый – при давлении 1 – 3 МПа и температуре 800 – 900 °C из синтез-газа получают диметиловый эфир, метанол и метилформиат. Второй способ – получение диметилового эфира из метанола. Именно так поступают в Германии и Японии. В Японии и США построены пилотные установки – мощностью 5 и 4 тонны в сутки. Из синтез-газа ДМЭ получают NKK (Япония) и Haldor Topsoe (Дания). На «Новомосковском Азоте» и ОАО «Щекиноазот» диметиловый эфир производят из метанола, но такой метод с технико-экономической точки зрения не совсем целесообразен, так как цены на природный газ будут неизбежно повышаться.

Диметиловый эфир имеет определенные технологические преимущества перед сжиженным природным газом. По своим физическим свойствам это вещество очень схоже с СУГ (сжиженный углеродный газ) и может являться его заменителем в качестве моторного топлива, топлива для газовых турбин, в коммунальном хозяйстве и быту (приготовление пищи). В сравнении с СПГ он имеет существенно более высокую температуру сжижения (– 24,5 °C), что позволяет хранить ДМЭ в тех же резервуарах, что и СУГ. При его правильном сгорании не образуется сажа, а только вода и углекислый газ. Теплотворная способность ДМЭ (28,4 МДж/кг) только немного ниже низшей удельной теплоты сгорания природного газа. Кроме того, ДМЭ используется для производства аэрозольных красок и в парфюмерной промышленности, т. к. является отличным растворителем и пропеллентом одновременно, и при этом практически полностью разлагается при попадании в атмосферу (не является парниковым газом, в отличие от метана).

Особенность производства ДМЭ и других синтетических жидких углеводородов (СЖУ) (метанол, продукты синтеза Фишера-Тропша и т. д.) на данный момент – это необходимость утилизировать значительные объемы так называемых хвостовых газов, получаемых в процессе синтеза, и перегретого пара высокого давления. Их утилизация возможна в энергоемком процессе производства СПГ, поэтому производство ДМЭ должно хорошо уживаться с производством сжиженного природного газа и/или производством электроэнергии.

Стоит отметить, что что технологические схемы производства СЖУ, основанные на производстве синтезгаза (смесь угарного газа и водорода), в паровых риформерах и последующей конверсии его в жидкие углеводороды позволяют утилизировать углекислый газ из отходных газов турбин газовых компрессоров производства СПГ. Для этого часть пара, подаваемого в риформер, заменяется на CO₂ (СН4 + СО₂ → 2СО+2Н₂). Добавление углекислого газа в процесс риформинга позволяет достичь оптимального соотношения CO/H₂ в производимом синтез-газе, близкого к 2, что увеличивает выход СЖУ при последующем синтезе.

Взгляд концерна «Volvo Group» на будущее топливо:

• Природный газ и биогаз будет использоваться регионально;

• ДМЭ имеет перспективу на широкое использование в будущем: Максимальная эффективность переработки и использования энергии «от скважины до колёс» из биологического источника.

• CO₂ является нейтральным, когда ДМЭ производится из биомассы.

ДМЭ в настоящее время промышленно производится дегидратацией метанола в объеме около 150 тыс. тонн в год, и используется главным образом в качестве пропеллента в косметической промышленности. В небольших количествах уже сегодня ДМЭ применяется как дизельное топливо и как топливо для бытовых нужд (вместо СНГ).

[31].

Диметиловый эфир имеет хороший потенциал использоваться в будущем как топливо для электростанций (производства электроэнергии), для автомобиля на топливной ячейке и как промежуточный продукт для синтеза ценных химических веществ и в том числе бензина. ДМЭ можно получать из «бедного» синтез-газа, содержащего до 50 % азота. Такой синтез ДМЭ осуществлен на медьцинк-хромалюминиевом и медьцинкалюминиевом катализаторах при 260–280 °C и 5-10 МПа.

Volvo Trucks активно использует биодиметилэфир!

Рис. 7-23. Трелер Voivo Truck на ДМЭ.[7-32]

Volvo Trucks активно начала использовать биодиметилэфир (ДМЭ) как моторное топливо. Компания Preem, деятельность которой связано с поставками топлива, 7 сентября 2010 г. открыла новую автозаправочную станцию ДМЭ в Стокгольме.

На сегодняшний день первые пять грузовиков с ДМЭ-двигателями компании Volvo уже готовы к эксплуатации на дорогах Швеции. Биодиметил-эфир это разновидность биотоплива, которое производит на 95 % меньше вредных выбросов диоксида углерода по сравнению с привычным дизельным топливом. Для того чтобы у нового топлива были шансы стать конкурентоспособным на рынке, необходимо его отлаженное производство, сеть распределения и адаптация транспортных средств.

Экспериментальный завод компании Chemrec в Питео может производить не более четырех тонн био-ДМЭ в день. Эксплуатационные испытания будут проводиться в течение нескольких лет, цель которых – показать возможности для крупномасштабных инвестиций в производство ДМЭ из биомассы и выявить недостатки нового топлива.

Производство био-ДМЭ будет размещено на заводе компании Chemrec. Volvo Group является одним из владельцев компании Chemrec через свое дочернее предприятие Volvo Technology Transfer. Уже осенью компания Preem открывает дополнительные заправочные станции в Йончопинге, Питео, и Гётеборге.

Важное преимущество ДМЭ – это возможность поставлять его в контейнерах, баллонах и цистернах прямо от производителя или с приемного терминала конечным потребителям на заправки и в личные (домашние) коммунальные хозяйства. При этом снижаются затраты на распределение. Возможна транспортировка ДМЭ в контейнерах и лихтерах (судами-контейнеровозами/ лихтеровозами) непосредственно с места отгрузки. При этом контейнеры/лихтеры могут загружаться на судно как уже в заполненном виде (заправленными), так и заполняться непосредственно на судне через специальный распределительный манифольд. Таким образом, ДМЭ – это не только новая транспортная технология, но и готовый продукт для потребителей (бутилированный ДМЭ). ДМЭ имеет высокое цетановое число, что позволяет использовать его в качестве эффективного дизельного топлива.

Возможности химического синтеза альтернативных топлив в настоящее время активно ведутся во многих мировых центрах (США, Японии, Дании, Австрии) а также и в России. Некоторые такие разработки производства синтетических топлив уже находятся в стадии реализации.

Учитывая свойства ДМЭ, современная наука считает его мостом к водородной энергетике третьего тысячелетия.

Биодизель – биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации.

Рис. 7-24. Образец биодизеля [7-33].

Растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60 °C и нормальном давлении.

Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований:

После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %.

Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него.

Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.

Заключительный этап – сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.

Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется – разлагается.

Применение.

Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с диельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначатся буквой B; цифра при букве означает процентное содержание биодизеля. В2 – 2 % биодизеля, 98 % дизельного топлива. В100 – 100 % биодизеля.

Применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.

Цетановое число.

Для минерального дизтоплива 42–45,

Для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51.

Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже – эфирные масла различных растений или водорослей. Европа – рапс; США – соя; Канада – канола (разновидность рапса); Индонезия, Филиппины – пальмовое масло; Филиппины – кокосовое масло; Индия – ятрофа, (Jatropha); Африка – соя, ятрофа; Бразилия – касторовое масло.

Рис. 7-25. Блок-схема производства биодизеля [7-34].

Также применяется отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. д.

Таблица. 7-3

Производство масла из различного сырья с одного гектара земли в год

Таблица. 7-4

Производство биодизеля

Биодизель – топливо будущего.

В зависимости от сырья используется определенная технология производства биодизеля.[7-36].

Возможно применение для производства биодизеля следующих видов сырья: растительное масло (рапсовое, подсолнечное, пальмовое, соевое и пр.); животный жир; водоросли; резина и пластмасса. Получается биодизель, как правило, из растительного масла или водорослей и, поэтому, является долгоживущим источником энергии. Биодизель из рапса (биотопливо из рапса) – достаточно широко используется в настоящее время в Европе.

Рис. 7-25. Производство биодизеля на Заводе Урбудмаш. Биодизельный реактор кавитатор. [7-35].

Более перспективным источником сырья считаются водоросли.

Представитель компании, производящей биогорючее, подсчитал, что если заменить все дизельное топливо, используемое в США, на биотопливо из водорослей, то потребуется засеять зеленым сырьем всего 0,5 % сельскохозяйственных земель штатов, чтобы получить нужное количество биодизеля. Для производства биодизеля нужны водоросли, содержащие большое количество масла. Эти водоросли можно выращивать как в обычных водоемах (в обычных прудах), так и в специальных биореакторах. Биореакторы занимают маленькую площадь и из них удобнее выбирать водоросли для получения биодизеля.

Помимо этого, от всех других разновидностей растительного сырья водоросли отличаются тем, что потребляют они не специально приготовленные удобрения, а CO₂. При этом водоросли настолько «любят» углекислоту, что набирают свой вес в несколько раз быстрее, именно, на этом питании. Если к тому же тину выдерживать в загрязненной воде, ее объем ежедневно будет возрастать вдвое.

Один из вариантов получения дизельного горючего из водорослей задуман в США. Для производства биодизеля водоросли поглощают углекислый газ и солнечный свет. Установка SolarConverter внешне напоминает солнечную батарею; между пластинами заключен водный раствор, в котором распологаются водоросли. Система не требует сельскохозяйственных угодий и больших посевных площадей. Первый завод по производству биодизельного горючего из водорослей планируют запустить в 2011 году.

Второй вариант предполагает установку, состоящую из большого числа прозрачных стеклянных труб. В них и живут простейшие водные растения. Для быстрого роста необходим свет, углекислый газ, корм и поддержание определённой температуры. Корм включает в себя особый состав химических составляющих и микроэлементов. Для того чтобы снабдить водоросли теплом и углекислым газом, применяется дизельгенератор, работающий на том же биодизеле. Урожай с биореактора собирается через несколько часов, ведь микроорганизмы – самые быстроразмножающиеся растения. При хорошем уходе их масса увеличивается вдвое всего за 40 часов. Из каждой порции продукта, добывается растительный жир, из которого и производится биодизель.

Водоросли применяются специальные – масленичные, с содержанием жира до 80 процентов.

Биодизель может применяться в простых двигателях внутреннего сгорания без изменения их конструкции. Возможно использование биодизеля как самостоятельного вида горючего, так и в смеси с обычным (минеральным) дизельным топливом.

Есть данные, что немецкие и французские компании, выпускающие автомобили, уже выпускают ряд моделей машин, специально приспособленных под смесь биодизеля и традиционного горючего или для использования чистого биодизеля, возможно концерн Audi решится использовать эту технологию в своей новой разработке гибридной Audi А8.[7-38].

В планах Евросоюза довести получение альтернативного горючего к 2015 – до 15 процентов.

VertiGro (Vertical Growth) – экспериментальная установка по производству из водорослей растительного масла, которое затем может стать сырьем для биотоплива, – вышла на этап производства и коммерческого тестирования.

Рис. 7-26. VertiGro (Vertical Growth) – экспериментальная установка по производству из водорослей растительного масла [7-39].

Благодаря тому, что водные растения не нуждаются в прочном стебле и корнях и могут впитывать питательные вещества всей своей поверхностью водоросли способны намного быстрее наращивать биомассу, чем любые сухопутные растения. Как рассказал директор компании Valcent Products Глен Керц, используемый компанией вид одноклеточных водорослей является самым быстрорастущим растением на планете и отличается чрезвычайно высоким массовым содержанием растительного масла – до 50 %. [7– 39].

Компания спроектировала и построила в г. Эль-Пасо, штат Техас, биореактор вертикальной конструкции, которая позволяет осветить максимальный объем водорослей. Дело в том, что в обычном водоеме поверхностные водоросли закрывают лучи солнца находящимся в глубине, в результате свет проникает в толщу растительной массы лишь на 4 см. В процессе разработки биореактора компания также столкнулась с проблемами испарения воды и появления водорослей-сорняков. «На одном акре земельных угодий можно вырастить кукурузу, которой хватит на производство около 18 галлонов горючего в год», – говорит Глен Керц. – «Акр пальмовой плантации даст пальмовое масло для производства 700–800 галлонов биотоплива в год, а ферма на основе биореакторов VertiGro за год произведет липидное сырье для изготовления до 20 тыс. галлонов топлива». Более того, свойства жиров можно варьировать изменением состава культуральной среды в зависимости от того, какой вид горючего планируется производить.

В 2004 году около 80 % европейского биодизеля было произведено из рапсового масла, при этом примерно треть урожая рапса в 2004 года было использовано именно для производства биотоплива.

В странах Евросоюза биодизель начал производиться в 1992 году. К концу первой половины 2008 года в странах Евросоюза было построено 214 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 16 млн тонн биодизеля в год[7-31].

В США на октябрь 2004 года установленные мощности составляли примерно 567 млн. литров в год (150 млн. галлонов). В середине 2008 года в США работали 149 заводов суммарной мощностью примерно 7,669 млрд. литров в год (2029 млн. галлонов). Строилось 10 заводов суммарной мощностью примерно 808,9 млн литров в год (214 млн галлонов).

В Канаде в конце 2006 года работали 4 завода суммарной мощностью примерно 196,5 млн. литров год (52 млн. галлонов).

Стандарты.

Для биодизеля Европейской организацией стандартов разработан стандарт EN14214. Кроме него существуют стандарты EN590 (или

EN590:2000) и DIN 51606. Первый описывает физические свойства всех видов дизельного топлива, реализуемого в ЕС, Исландии, Норвегии и Швейцарии. Этот стандарт допускает содержание 5 % биодизеля в минеральном дизеле; в некоторых странах (например, во Франции) все дизтопливо содержит 5 % биодизеля. DIN 51606 – германский стандарт, разработанный с учетом совместимости с двигателями почти всех ведущих автопроизводителей, поэтому он является самым строгим. Большинство видов биодизеля, производимых для коммерческих целей на Западе, соответствует ему или даже превосходит.