Жидкое биотопливо из растительного и животного сырья. Технические и экономические аспекты

Аннотация

Горохов Д.Г., Бабурина М.И., Иванкин А.Н., Прошина О.П. – Жидкое биотопливо из растительного и животного сырья. Технические и экономические аспекты. В данной статье проанализированы преимущества и недостатки различных видов биотоплива, пути их получения. Рассматриваются перспективные виды сырья для производства биотоплива. Также представлены показатели качества биотоплива.

Возрастающее загрязнение окружающей среды, ухудшение экологической обстановки из-за повышенного потребления энергии из минерального сырья вместе с быстрым истощением ископаемых ресурсов и высокие цены на них привели ученых к поиску альтернативных видов топлива, получаемых из возобновляемых источников. Наиболее приоритетными видами жидкого биотоплива являются биодизель и биоэтанол. Биодизель представляет собой смесь моноалкиловых эфиров природных жирных кислот, обладающих свойствами горючего материала и получаемых в результате алкоголиза жиров животного или растительного происхождения, которые в огромном количестве скапливаются на предприятиях мясной или маслоперерабатывающей промышленности. Биоэтанол – этанол, который представляет собой обезвоженный этиловый спирт максимальной крепости (99,5°). Биоэтанол получают переработкой любого растительного сырья с высоким содержанием крахмала или целлюлозы. Один из наиболее распространенных способов производства – брожение. Топливный этанол не предназначен для пищевых целей, так как он не только хуже очищен от альдегидов и сивушных масел, но вдобавок денатурирован бензином.

Биоэтанол как энергоноситель ничем не отличается от гидролизного или синтетического этанола, но его производители и потребители, например в странах Евросоюза, имеют большие преференции. Это объясняется стремлением не только решить проблему расширения топливной базы, но и стимулировать собственного сельскохозяйственного производителя.

По свойствам биоэтанол заметно отличается от бензина: он обладает высоким октановым числом (104–108 условных единиц), но меньшей теплотой сгорания (23,5 МДж/кг, у бензина – 44 МДж/кг). В качестве автомобильного топлива биоэтанол применяется как в чистом виде, так и в смеси с бензином. В зависимости от содержания спирта топливные смеси обозначаются Е5, Е10, Е85 и т.д. (где Е – от англ. ethanol, а цифры указывают объемную долю спирта в процентах). Агрессивность к резинотехническим деталям и гигроскопичность (ею особенно характеризуются смеси с низким содержанием спирта) ограничивают применение биобензинов в стандартном двигателе внутреннего сгорания.

Важнейшее достоинство биотоплива – замена продуктов нефтепереработки на природное возобновляемое сырье. Поэтому наибольшее внимание этой проблеме уделяется в странах, бедных нефтью, но располагающих богатыми растительными ресурсами.

Несмотря на то, что в России биотопливо практически не используется, возможность организации его производства с целью применения на транспорте или для экспорта рассматривается в нашей стране на разных уровнях.

Биодизельное топливо обладает рядом несомненных преимуществ:

– высокое цетановое число 56–58 %, против 50–52  у минерального дизтоплива;

– использование возобновляемого сырья;

– хорошие смазочные характеристики, что увеличивает срок службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %;

– при сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. Цикл получается замкнутым;

– высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150 °С, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом;

– побочный продукт производства глицерин является дополнительным полезным продуктом, находящим широкое применение в промышленности;

– по сравнению с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 %, минеральный – < 0,2 %) [1].

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путем брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO₂, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями. Содержащийся в этаноле кислород позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 %-ное содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы СО – на 30 %. В 2006 г. применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО₂ эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,2 млн автомобилей.

Наиболее распространенным биотопливом сегодня является так называемый рапсметиловый эфир (РМЭ), который в заметном количестве используется в Швеции, Германии, Франции и других странах Европы. Его можно добавлять к дизельному топливу в концентрации до 30 % без дополнительной регулировки двигателя. В западноевропейских странах принято решение об обязательной добавке 5 % РМЭ в дизельное топливо, но кое-где (например в Швеции) его используют непосредственно. Испытания РМЭ и его добавок к дизельному топливу в США и Европе показали, что при его использовании снижается эмиссия углеводородов и оксида углерода, а интенсивность образования оксидов азота остается без изменения. Было отмечено некоторое увеличение выбросов озонообразующих компонентов (ароматических углеводородов, олефинов и альдегидов). Поэтому двигатели, работающие на биотопливе, должны быть оборудованы каталитическими нейтрализаторами. Наблюдается также увеличение образования твердых частиц, но при этом их характер иной, чем при работе на дизельном топливе. Собственно сажи содержат немного твердых углеродных частиц, их основная часть состоит из растворимых органических соединений, представляющих собой главным образом несгоревшие частицы биотоплива. Исследование мутагенной активности твердых частиц показало, что она ниже, чем у твердых частиц, образующихся при сгорании дизельного топлива.

Недостатки и достоинства биодизельных топлив обобщены в табл.1.

Можно выделить следующие преимущества биоэтанола перед нефтью:

– является экологически чистым продуктом, не загрязняет окружающую среду, а также при его сгорании отсутствует нагревание атмосферы (т.е. исключается возникновение парникового эффекта);

– нефть – исчерпаемый, а биоэтанол – возобновляемый ресурс;

– производство биоэтанола – безотходное;

– растительным топливом можно замещать экологически вредные добавки в бензин, при этом добавление одной части этанола в бензин ведет к экономии трех частей нефти.

Существует несколько недостатков биоэтанола:

– спирт расслаивается при низких температурах (что не вполне подходит для нашего северного климата);

– технические недостатки биоэтанола – в 1 литре содержится на треть меньше энергии, чем в 1 литре бензина;

– повышенные выбросы альдегидов и испарение углеводородных соединений. Содержание альдегидов растет с увеличением концентрации спиртов в топливной смеси. Для метанола характерны выбросы формальдегида, в то время как при сгорании этанола образуется преимущественно ацетальдегид.

Производство и потребление биодизеля в Европе и США имеет правительственную поддержку через ряд принятых стратегических решений. Система регулирования производства биотоплива развивалась в течение последних лет. В 2003 г. была принята директива, устанавливающая цели замещения жидкого топлива биотопливом – 2 % к 2005 г. и 5,75 % к 2010 г. Другой документ создает основу налогообложения на биотопливо: оно должно полностью или частично освобождаться от налогов в целях обеспечения его конкурентоспособной цены.

Мировое производство биоэтанола в 2005 г. составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % – на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы, в нашей стране осуществлялся выпуск гидролизного спирта из отходов древесины. Производство этанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы и тем более из древесного сырья, хотя индустрия биотоплива существует во многом благодаря государственным субсидиям. США в 2005 г. приняли план, предусматривающий к 2025 г. замену 75 % импорта нефти биотопливом и увеличение производства биоэтанола в 10 раз.

В январе 2007 г. ЕС были объявлены стратегические цели по обеспечению энергетической безопасности и приоритеты экологической политики, ориентированные до 2020 г. на необходимость снижения выброса парниковых газов на 20 %, доведение доли альтернативных источников в энергетическом балансе до 20 % и достижения 10 %-ной доли биотоплива в транспортной структуре топливного баланса.

В США на сегодняшний день работают около двухсот биодизельных заводов, потенциал которых оценивается в 10 млн литров в год. Коммерческие производители биодизельного топлива все чаще рассматривают технологии второго поколения, сырьем которых являются масла ятрофа и водоросли, масложировые отходы пищевой промышленности. Эти потенциальные источники топлива обладают более низкой стоимостью и существуют вне вопроса топливо против продовольствия [2].

В России не существует единой государственной программы развития биодизельного топлива, но создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа Рапс – биодизель. В Липецкой области создана Ассоциация производителей рапсового масла. Планируется строительство заводов по производству биодизеля в Липецкой области, Татарстане, Алтайском крае, Ростовской, Волгоградской, Орловской областях, Краснодарском крае, Омской области. Согласно требованиям ГОСТ Р 52368-2005 на дизельное топливо разрешено внесение моноалкиловых эфиров до 5 % в дизтопливо.

Одним из перспективных видов липидного сырья для производства биодизельного топлива могут служить животные жиры мясной промышленности, а также образующиеся жировые отходы (около 150 тыс. т жировых отходов по России в год), переработка которых позволит улучшить экологическую обстановку на предприятии и снизить техногенную нагрузку на окружающую среду. Данное альтернативное топливо может применяться в дизельных двигателях сельскохозяйственной техники, автопарка предприятий, в бойлерных котлах для обогрева зданий или в дизельных генераторах для выработки электроэнергии [3, 4].

Впервые в России сотрудниками ВНИИМП им. В.М. Горбатова совместно с кафедрой химии и биотехнологии МГУЛ были проведены всеобъемлющие исследования по разработке рациональной технологии переработки животных жиров различной степени окисленности в биодизельное топливо стабильного высокого качества с применением высокоактивных катализаторов и различных спиртов, таких как метиловый, этиловый, в том числе древесного происхождения, изопропиловый и бутиловый. Изучена и определена сырьевая база производства биодизельного топлива (рис.1). Так, биодизель может быть изготовлен из пищевого животного жира прямой трансэтерификацией имеющихся триглицеридов из жиров более низкого качества (технического, жиромассы жироловок), с предварительным проведением процесса этерификации свободных жирных кислот в моноалкиловые эфиры. Определены оптимальные технологические параметры проведения процессов этерификации свободных жирных кислот и трансэтерификации триглицеридов с максимальным выходом целевых моноалкиловых эфиров жирных кислот, такие как температура, концентрация катализатора, избыток спирта, число оборотов мешалки.

В лабораторных условиях были определены физико-химические свойства полученных образцов биодизельного топлива животного и растительного происхождения (табл.2).

Из данных табл.2 следует, что биодизельное топливо, полученное из животных жиров, обладает более высоким цетановым числом, т.е. отличается более хорошей воспламеняемостью. По показателям плотности, кинематической вязкости, температуре помутнения и кислотному числу не выходит за рамки европейского стандарта качества на биодизельное топливо EN 14214, что позволит полученное биотопливо использовать в дизельных двигателях.

Показатели качества биоэтанола (ГОСТ Р 52201-2004 Этанольное моторное топливо для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием) представлены в табл.3.

Нами проведены испытания полученных образцов биодизеля в виде 5–20 % добавки к традиционному топливу на дизельном двигателе с замером уровня выхлопных газов. Как показали анализы выхлопных газов, с увеличением процентного содержания моноалкиловых эфиров в дизельном топливе наблюдается динамика снижения окиси углерода, углеводорода и дымности. Наблюдается незначительное увеличение окиси азота с увеличением содержания эфиров.

Применение 5–20 % добавки имеет ряд преимуществ: внесение не требует перестройки двигателя, снижает эмиссию вредных газов, улучшает смазочные характеристики топлива, повышает цетановое число топлива. Также применение данной смеси исключает проявления недостатков биодизеля в виде агрессивного воздействия на резиновые детали двигателя, отложений кристаллов воска при низких температурах на жиклерах, форсунках и других калиброванных отверстиях двигателя, которые приводят к их закупорке.

Экономический расчет производства биодизеля показывает, что биодизель на собственные нужды предприятию будет обходиться по цене 12 руб./л при оптовой цене 14 руб./л с уровнем рентабельности в 15 %.

Таким образом, можно сделать выводы, что жидкое биотопливо животного происхождения обладает высокими топливными показателями, превышающими показатели традиционного дизельного топлива и биодизельного, полученного из растительного масла. Его производство является экономически эффективным и перспективным. Представляется целесообразным продолжать исследования, включающие определение условий и сроков хранения биодизельного топлива, полученного из животных жиров, и определению оптимальных параметров получения биодизельного топлива с использованием простых спиртов, таких как изопропиловый и бутиловый.

Библиографический список

1. Knothe G. Analytical methods used in the production and fuel quality assessment of biodiesel. // Am. Soc. Agr. Eng. – 2001. – V. 44. – N 2. – P. 193–200.
2. Meka P. K.; Tripathi V. Synthesis of biodiesel fuel from safflower oil using various reaction parameters. // J. Oleo Sci. – 2007. – V. 56. – N 1. – P. 9–12.
3. Горохов, Д.Г. Биодизельное топливо из животных жиров / Д.Г. Горохов, М.И. Бабурина, А.Н. Иванкин // Мясная индустрия. – 2008. – № 11
4. Иванкин, А.Н. Биотопливо из возобновляемого сырья: перспективы производства и потребления / А.Н. Иванкин, А.Д. Неклюдов, Н.А. Горбунова и др. // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. – 2008. – № 6. – с. 91–96.