Состояние и перспективы развития производства и применения в Украине экологически чистого биодизельного топлива

Источник

Журнал "Олійно-жировий комплекс"

4311

Украина относится к энергодефицитным странам, так как покрывает свои потребности в топливно-энергетических ресурсах лишь на 53%, импортируя 75% необходимого объема природного газа и 85% сырой нефти и нефтепродуктов [1]. Зависимость от импорта нефти рассматривается большинством развитых стран как вопрос национальной и энергетической безопасности, а использование нефтепродуктов как источников энергии несет в себе значительную экологическую опасность [2]. Таким образом, зависимость от импорта нефтепродуктов, цены на которые неумолимо растут, а также значительное ухудшение экологической ситуации стимулируют интенсивный поиск альтернативных источников энергии. Ситуация, в которой находится Украина, может сравниться с той, в какой оказалось мировое сообщество в 1973-1974 гг. Сегодня для Украины наступило время развивать собственные мощности для производства биодизельного топлива из возобновляемых сырьевых ресурсов [3, 4, 5].

Биодизельное топливо (биодизель, МЭРМ, РМЭ, RME, FAME, EMAG, бионефть и др.) - это экологически чистый вид биотоплива, получаемый из жиров растительного и животного происхождения и используемый для замены нефтяного дизельного топлива (ДТ). С химической точки зрения биодизель 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 глицероловая фаза: 56% глицерина, 4% метанола, 13% жирных кислот, 8% воды, 9% неорганических солей, 10% эфиров. Материальный баланс реакции получения биодизеля [6]: для получения 1000 кг (1136 л) биодизеля необходимо 50 кВт тепловой энергии и 25 кВт электроэнергии, 1040 кг (1143 л) рапсового масла, 144 кг (114 л) 99,8% метанола, 19 кг гидрооксида калия (88% КОН), 6 кг вспомогательного фильтрующего материала, 105 кг воды. При этом кроме биодизеля получается около 200 кг сырого глицерина и 117 кг воды после очистки биодизеля. Биодизель 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.

Рассмотрим составляющие сырьевой базы для производства биодизеля в Украине, к которым можно отнести: масла, получаемые из семян маслосодержащих растений, "мультисырье" мясокомбинатов (жиры животных), фритюрный жир и др.

Принимая во внимание опыт европейских государств, производство биодизеля в Украине можно организовать на следующих типах установок и заводов [7]: мелкотоннажные установки 300-3000 т/год (для фермеров), региональные (областные) заводы 10000-30000 т/год, промышленные заводы государственного значения 50000-100000 т/год.

В соответствии с Программой развития производства биодизельного топлива на период до 2010 г. Украина должна производить и потреблять в 2010 г. более 520 тыс. тонн биодизельного топлива, что потребует обеспечить валовый сбор семян рапса около 1,7-1,8 млн. тонн. При урожайности рапса в среднем 20 ц/га необходимо засеять 0,85-0,9 млн. га пашни, что составляет около 3% от общей площади (33,8 млн. га) пахотных земель Украины. Замена части дизельного топлива (1870 тыс. т/год), которое в настоящее время потребляет АПК Украины, на биодизельное позволит обеспечить сельскохозяйственную технику бинарным биотопливом рационального состава: 30% биодизеля + 70% ДТ [8].

Рассмотрим требования, предъявляемые к исходным семенам рапса и рапсовому маслу [6], обеспечение которых позволит получить биодизель, соответствующий европейскому стандарту ЕN 14214:2004. Очищенные семена рапса: масличность 40-44%, влажность около 6-7%; содержание ƒa (свободных жирных кислот) <3% (6 мг КОН/г); температура семян 20-30ºС; загрязнение около 0,5%. Холоднопрессованное, фильтрованное рапсовое масло: йодное число 110-115; влажность максимум 0,05%; содержание ƒa максимум 0,65% (1,3 мг КОН/г); пероксидное число 1-2 (max 3); загрязнения нет; число омыления 187-191; фосфатиды в качестве фосфора максимум 20 мг/кг; температура мин. 20°С. Образец рапсового масла, поступающего в установку для получения биодизеля (жирно-кислотный состав): С14:0-0,1%; С16:0-5%; С16:1-0,7%; С17:0-0,1%; С17:1-0,2%; С18:0-1,8%; С18:1-57,9%; С18:2-21%; С18:3-10,3%; С20:0-0,6%; С20:1-1,4%; С22:0-0,3%; С22:1-0,6%.

Рассмотрим, в каких областях Украины лучшие условия выращивания рапса [1]: озимого - Львовская, Ивано-Франковская, Тернопольская, Хмельницкая, Винницкая, Киевская, Ривненская и Волынская области; ярового - Кировоградская, Киевская, Черкасская, Одесская, Херсонская, Полтавская, Черниговская, Сумская, Харьковская области и АР Крым.

О стоимости биодизельного топлива. В странах Евросоюза производство биодизеля имеет существенную государственную поддержку. 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 по Европе 1 л биодизеля на 0,1-0,15 евро дешевле, чем дизельное топливо. В Украине, по различным данным, себестоимость 1 л биодизеля составляет от 2,2 до 3 грн. Стоимость биодизельного топлива зависит от ряда факторов [1]: урожайность рапса, эффективность использования соломы и шрота, стоимость химических ингредиентов (метанола и щелочи), глубина переработки глицериновой воды, качество технологического процесса получения биодизеля.

Исходя из того, что в первой части статьи удалось доказать необходимость производства биодизельного топлива в Украине, перейдем к рассмотрению физико-химических показателей биодизеля и эколого-эксплуатационных характеристик дизелей при их работе на биотопливе. В ряде зарубежных публикаций [9] содержится информация о том, что при проведении сравнительных испытаний дизелей на дизельном топливе и биодизеле не отмечено каких-либо существенных различий поведения двигателя при смене вида топлива, что можно объяснить хорошим качеством испытываемого биотоплива, которое обеспечивается жесткими требованиями к его химмотологическим показателям, заложенными в национальных стандартах на биодизельное топливо. Поэтому, как отмечалось выше, 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) [10].

В таблице приведены европейские стандарты 14214:2004 на биодизель и ДСТУ 3868-99 на дизельное топливо. Как видно, 12 показателей EN 14214:2004 можно (на первом этапе разработки государственной нормативной документации на биодизельное топливо) 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.

Вкратце рассмотрим влияние некоторых физико-химических показателей биодизеля, определяемые стандартом EN 14214:2004, на параметры дизеля и его эколого-эксплуатационные характеристики. Повышенные по сравнению с дизельным топливом плотность на 10% и кинематическая вязкость в 1,5 раза способствуют некоторому увеличению (на 14%) дальнобойности топливного факела и диаметра капель распыленного топлива, что может привести к увеличенному попаданию биодизеля на стенки камеры сгорания и гильзы цилиндра. Меньшие значения коэффициента сжимаемости биодизеля приводят к увеличению действительного угла опережения впрыскивания топлива и максимального давления в форсунке. Высокое цетановое число биодизеля 51 и более способствует сокращению периода задержки воспламенения и менее "жесткой" работе дизеля. Повышенная почти в 3 раза, температура вспышки биодизеля в закрытом тигле 120°С и более обеспечивает высокую пожаробезопасность. Кислород (~10%) в молекуле метилового эфира действует по следующим направлениям. Наличие окислителя непосредственно в молекуле топлива позволяет интенсифицировать процесс сгорания и обеспечить более высокую температуру в цилиндре дизеля, что, 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 биодизеля приводит к уменьшению его низшей теплоты сгорания на 13-15% и увеличению часового и удельного эффективного расходов топлива.

Таблица. Физико-химические показатели биодизеля и дизельного топлива

Показатели Европейский стандарт на биодизель EN14214:2004 (E) Стандарт Украины на топливо дизельное ДСТУ 3868-99

размерность пределы размерность значение для марок
min max Л З
Содержание эфиров % (м/м) 96,5     - -

Плотность при температуре 15°С кг/м3 860 900 при температуре 20°С,
кг/м3
860 840

Кинематическая вязкость при температуре 40°С мм2 3,50 5,0 при температуре 20°С,
мм2
3,0-6,0 1,8-6,0

Температура вспышки °С 120 - °С 40-62 35-40

Содержание серы мг/кг - 10,0 % 0,05-0,20 0,05-0,20

Коксуемость 10% остатка % (м/м) - 0,30 % 0,30 0,30

Цетановое число   51,0     45 45

Зольность % (м/м) - 0,02 % 0,01 0,01

Содержание воды мг/кг - 500   отсутствует отсутствует

Содержание механических примесей мг/кг - 24    ((¾  ((¾

Испытания на медной пластинке (3 часа при 50°С) оценка класс 1   выдерживает выдерживает

Окислительная стабильность, 110°С ч 6,0 -   - -

Кислотное число мг КОН/г   0,50 мг КОН на 100 см3
топлива, не более
5 5
Йодное число г J2/100 г   120 г йода на 100 г
топлива, не более
6 6
Метиловые эфиры линоленовой кислоты % (м/м)   12,0   - -
Полиненасыщенные (>=4 двойных связи) метиловые эфиры % (м/м)   1   - -

Содержание метанола % (м/м)   0,20 показатели,
размерность
   

Содержание моноглицеридов % (м/м)   0,80 фракционный состав    

Содержание диглицеридов % (м/м)   0,20 50% перегоняется при
температуре, °С,
не выше
280 280

Содержание триглицеридов % (м/м)   0,20

Свободный глицерин % (м/м)   0,02 96% перегоняется при
температуре, °С,
не выше
370 370

Общий глицерин % (м/м)   0,25 температура
застывания, °С,
не выше
-10 -25

1-а группа металлов (Na+K) мг/кг   5,0
массовая часть
меркаптановой серы,
%, не более
0,01 0,01
2-а группа металлов (Ca+Mg)
содержание
сероводорода
отсутствует отсутствует
Содержание фосфора мг/кг   10,0 концентрация
фактических смол,
мг на 100 см3 топлива
40 30
коэффициент
фильтруемости,
не более
3 3

предельная
температура
фильтруемости,
°С, не выше
-5 -15

Для сохранения номинальных параметров двигателя при переводе на биодизель 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) %, СnНm - 35 (10) %, РМ (твердые частицы) - 36 (24) %, сажа - 50 (52) % [11]. Некоторое увеличение выбросов NOx можно компенсировать рядом мероприятий: уменьшение действительного угла опережения впрыскивания топлива, рециркуляция отработавших газов, подача воды на впуске.

При эксплуатации дизельных двигателей на биодизельном топливе необходимо обратить внимание на следующее. Перед началом эксплуатации двигателя на биодизеле необходимо промыть фильтр грубой и тонкой очистки топлива. Из-за повышенной агрессивности биодизеля требуется смена топливных шлангов и прокладок на изготовленные из устойчивого к биотопливу материала, а также тщательное удаление биодизельного топлива, попавшего на лакокрасочные покрытия. В некоторых случаях требуется более частая смена моторного масла из-за возможного разжижения попадающего в него биодизеля. Возможно некоторое увеличение уровня шума и дымности при холодном пуске, при пониженных температурах требуется применение депрессорных присадок. Необходимо осуществлять контроль содержания воды в биодизеле (из-за его большой гигроскопичности), чтобы избежать опасности развития микроорганизмов, образования перекисей и коррозионного воздействия воды, в том числе и на элементы топливной аппаратуры.

Таким образом, производство и применение биодизеля в Украине позволит радикальным образом разрешить эколого-энергетические проблемы экономики нашего государства.

Владимир Семенов

Харьковский политехнический институт, г. Харьков

Литература

1. Кобец Н. Перспективы производства и переработки семян рапса в Украине. Сборник докладов IV Международной конференции "Масложировая промышленность-2005", 15-16 ноября 2005 г., г. Киев - с. 46-52.

2. Ковальський В., Голодніков О., Григорак М., Косарєв О., Кузьменко В. Про підвищення рівня еколого-енергетичної безпеки України //Экономика Украины, 2000, №10-с. 34-41.

3. Винтоняк В. Українська рапсодія //Агроперспектива, 2000, №1-с. 10-14.

4. Семенов В.Г., Кухта В.Г. Дизельное топливо из рапса //Хранение и переработка зерна, 2000, №12-с. 59-61.

5. Фукс И.Г., Евдокимов А.Ю., Джамалов А.А., Лукса А. Экологические аспекты использования топлив и смазочных материалов растительного и животного происхождения //Химия и технология топлив и масел, 1992, №6-с. 36-40.

6. Инструкция по получению биодизеля. - Фирма "Симбрия CКЕТ", Германия /Масложировая промышленность - Научно-технический производственный журнал - М.: "Пищевая промышленность", №5, 2005-с. 17-18.

7. Біопалива (технології, машини і обладнання) /В.О. Дубровін, М.О. Корчемний, І.П. Масло, О. Шептицький, А. Рожковський, З. Пасторек, А. Гжибек, П. Євич, Т. Амон, В.В. Криворучко - К.: ЦТІ "Енергетика і електрофікація", 2004-256 с.

8. Семенов В.Г., Марченко А.П., Семенова Д.У., Ліньков О.Ю. Дослідження фізико-хімічних показників альтернативного біопалива на основі ріпакової олії - Машинобудування: Вісник Харківського державного політехнічного університету. Збірка наук. праць. Випуск 101-Харків: ХДПУ, 2000-с. 159-163.

9. Семенов В.Г. Анализ показателей работы дизелей на нефтяных и альтернативных топливах растительного происхождения - Вісник Національного технічного університету "ХПІ": Збірка наукових праць. Харків: НТУ "ХПІ", 2002, №3-с. 177-197.

10. Семенов В.Г. Гармонізація національного стандарту на біодизельне паливо до європейського та американського стандартів - Матеріали І Міжнародної науково-технічної конференції "Проблеми хіммотології", 15-19 травня 2006 р. - К.: Книжкове вид-во НАУ, 2006-с. 119-121.

11. Альтернативні палива та інші нетрадиційні джерела енергії: Монографія /О. Адаменко, В. Височанський, В. Льотко, М. Михайлів - Івано-Франківськ: ІМЕ, 2001-432 с.

Реклама

Вход