Получение топлива из отходов: состояние и перспективы
ART 970677
А.
В. ПрохоровБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Прохоров
А.
В.,
Копылов
С.
И.,
Копылов
В.
В.,
Сычев
Е.
А. Получение топлива из отходов: состояние и перспективы // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 39. – С.
1751–1755. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/970677.htm.
Аннотация. В статье рассмотрены альтернативные виды топлива, дана их характеристика, рассмотрены преимущества и недостатки применения различных видов альтернативных топлив. Приведено историческое развитие исследований пиролиза древесины, возможные перспективы развития газогенераторных установок.
Ключевые слова:
твердые бытовые отходы, альтернативное топливо, древесина, пиролиз, сельскохозяйственные отходы
Текст статьи
Прохоров Алексей Владимирович,кандидат технических наук, доцент кафедры «Агроинженерия» ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовpav1981@bk.ru
Сычев Евгений Александровичмагистрант, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовevgeniy_sychev_2018@mail.ru
Копылов Сергей Ивановичмагистрант, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовserkox@yandex.ru
Копылов Владимир Владимировичмагистрант, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовmr.vovanvovanich@mail.ru
Получение топлива из отходов –состояние и перспективы
Аннотация.Встатье рассмотрены альтернативные видытоплива, дана их характеристика, рассмотрены преимущества и недостатки применения различных видов альтернативных топлив. Приведено историческое развитие исследований пиролиза древесины, возможные перспективы развития газогенераторных установок.Ключевые слова:альтернативное топливо, пиролиз, древесина, твердые бытовые отходы, сельскохозяйственные отходы.
На сегодняшний деньэнергетические потребности человечества по различным оценкам[1]составляют1215млрд т. условного топлива, что равняется прмиерно12% энергии ежегодного прироста биомассы на земном шаре. Потребности в энергии покрываютсяза счёт использования нефти и газа,угля,гидрои атомной энергии,и биомассы (примерное распределение представлено на рис.1).
Рис.1.Структура покрытия энергопотребности человечества за счет различных ресурсов
Для функционирования всех видов транспорта на земле расходуется в мире ежегодно около 4,5 млрд. тонн условного топлива[1].Не смотря наинтенсивныйрост потреблениятоплива нефтяного происхождения, постоянно проводится поиск и исследованияо возможностииспользования растительной биомассы в качестве моторного топлива. В ряде случаев в связи с постоянным ростом цен на нефтянные топлива получение топлива из растительной массы становится все более актуальным, а в ряде случаев и рентабельным.Проблема получения и использование альтернативных видов топлива возникла при значительном росте машин использующими в качестве топлива продукты нефтепереработки. общепринятое понятие альтернативного топлива –включает в себя топливо, которое частично или полностью получено без использования продуктов переработки нефти, и характеризуется целенаправленным производством основанном на нетрадиционных видах сырья и энергоресурсов.По своим свойствам и условиям хранения альтернативные топлива принято разделятьна три группы[2]:
топлива на нефтяной основе с добавками не нефтяного происхождения, которые по эксплуатационным свойствам близкик нефтяным дистиллятам топлива;
синтетические жидкие топлива, близкие по свойствам традиционным нефтяным топливам, получаемые при переработке жидкого, газообразного или твердого сырья;
не нефтяные топлива, существенно отличающие по физикохимическим и эксплуатационным свойствам от жидких нефтяных.При производстве альтернативных топлив, к конечному продуктупредъявляются следующие основные требования:наличие достаточных ресурсов, приемлемая стоимость,технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками, приемлемые экологические и экономические показатели процессов производствами, пользования топлива.Наиболее распространенной альтернативойнефтяных топлив на сегодняшний день являются сжатые углеводородные газы.Сжатый природный газ (СПГ) является альтернативнымтопливомдля двигателейвнутреннего сгорания, которое не требуетзначительной технологической обработки[3]. Однимиз основных преимуществ СПГ при использовании на автомобильном транспортеявляется отсутствие дорогостоящей технологической обработки.Природный газ,как топливо для транспортаи генераторных станций,обладаетрядомпреимуществ перед бензином и сниженным нефтяным газом(СНГ), но имеются и недостатки тоже.Преимущества:
двигатель на природном газе не опаснее бензинового, и менее опасен двигателя на пропанбутане;Экологичность;большиезапасы природного газа в природе;
более низкая себестоимость по сравнению с бензиноми СНГ;
природный газ имеет более высокиехарактеристики, по сравнению сбензином, как следствие можно повысить степень сжатия и, следовательно, мощность двигателя;
легкость пуска двигателя при низких температурах, меньший износ двигателя.Недостатки:
переводв сжиженное состояниепроисходит при очень низкой температуре;
тарадля хранения природного газа в сжатом виде достаточно дорогапо стоимости и металлоемкими по сравнению с обычными бензобаками, а также с баллонами для СНГ.
снижениегрузоподъемностиавтомобиляизза монтажа дополнительного оборуджования;
снижение мощностидвигателя на 10—12 %.при переводе на сжатый газ без применения конструктивных изменений.Сжиженные углеводородные газыСНГпо свойствам относится к высококачественным полноценным топливам для автотракторных двигателей.Преимущества:
Увеличениесрокаслужбы моторного масла в 1,5—2 раза;
снижение сильнойкоррозиидеталей и их износа изза меньшего содержания серы;
СНГрастворяет смолистые отложения в топливной системе и камере сгорания,и соответственноулучшаетработусистемы зажигания;снижениетоксичности выхлопных газов;
снижениевероятности детонации двигателя,улучшениединамикиего работы, в увеличениемежремонтного ресурса;
более низкая стоимостьв сравнении с бензином;
для сжиженного газа применяются болеелегкие баллоны и несложнуюгазовуюаппаратуру, которые рассчитанына рабочее давлениев1,6 МН/м2.Недостатки:
снижениена 68% мощностии соответственно увеличениена 1012% удельный расход топлива.Спиртовые топливаОсновной проблемой использования бензометанольных смесей является их высокая стоимость изза необходимости добавления до 7 % высших спиртов.Использование спиртов в дизелях затрудняется изза высокой температуры самовоспламенения и плохих смазывающих свойств,которые ведутк повышенному износу элементов топливной аппаратуры.Токсичность топливатакже создает затруднение в применении. Обладаявысокой летучестью метанол при применениив качестве топлива требуеттщательнойгерметизациитопливоподающей системы двигателя.Синтетическое горючееПонятиесинтетическое горючее обозначаетжидкие и газообразные виды горючего топлива, которые получают из угля или нефтеносных сланцев (иди других источников), а не из естественной нефти или природного газа. Синтетическое горючее известно уже давно.Горючее масло, получаемое из нефти или из угля, может быть сегодня названо синтетическим горючим.Не является новостью и синтетический газ, хотя количество и качество этого продукта в настоящее время существенно отличается от ранее имевшихся. Наиболее перспективным сырьем для производства синтетического жидкого топлива признан уголь как широко распространенный вид твердых горючих ископаемых. Водородное топливоВодород считается топливом будущего, благодаря практически неограниченным ресурсам и отсутствию в продуктах сгорания вредных веществ. Основной проблемой применения водорода является его повышенная взрывоопасность, низкая плотность и низкая температура кипения. Кроме того, стоимость производства водорода в 3—5 раз выше стоимости производства нефтяных топлив. К преимуществам использования водорода в качестве автомобильного топлива следует отнести его высокую детонационную стойкость. Это позволяет увеличить степень сжатия и давление наддува. Наибольших успехов в области применения водорода в качестве топлива достигли такие фирмы, как Toyota, MercedesBenz и ряд американских фирм.В нашей стране и за рубежом создан ряд опытных моделей автомобилей, работающих на водороде. Практический интерес представляет применение водорода по двухтопливной схеме —в качестве добавки к бензину. В этом случае топливная экономичность автомобиля повышается на—40 %, выбросы окиси углерода уменьшаются на 30—40 %, а наиболее токсичных окислов азота в 1,5—2раза.Азотоводородные топливаИз теоретически возможных соединений азотаи водородавсего лишьдва соединения обладаютдостаточно стабильнымисвойствамии представляют интерес для рассмотрения в качестве возможного перспективного топлива: аммиак и гидразин.Для успешного использования чистого аммиака в качестве топлива необходимо, как минимум, существенное повышение энергетического уровня зажигания, поэтому в двигателях с принудительным воспламенением сгорание аммиака возможнопри наличии высокотемпературной свечи с широким искровым промежутком и мощной катушкой зажиганияПылевидное топливо и суспензииИсследования проводимые по применению твердого топлива в двигателе внутреннего сгорания в виде каменноугольной пыли или ее суспензии с жидким топливом дают первые положительныерезультаты.Пылевидное топливо или дисперсные топливные системынаходят все большее применение. Эффективность применения определяется такими их свойствами, как стабильность, вязкость, транспортабельность и др. Поскольку дисперсные топливные системы в ряде случаев обладают определенными преимуществами перед натуральными топливами, перспективы и масштабы их применения скорее всего будут непрерывно расти.БиотопливоНесмотря на огромные запасы энергетических ресурсов на территории нашей страны периодически возникают острейшие энергетические кризисы в ряде регионов. По данным Минтопэнерго, в РФ около 60% территории страны находятся без централизованного электроснабжения. В этих удаленных территориях проживает 10% населения нашей страны. Энергоснабжение населенных пунктов без централизованного электроснабжения происходитв основном за счет жидкого топлива, что крайне экономически не целесообразно, тем более, что в подавляющем большинстве это регионыс большими запасами древесины, в том числе и большим количеством отходов деревообработки. На территории России каждый год производится около15 млрд. т. биомассы, энергия которой эквивалентна примерно 6 млрд т. у. т. По оценкеэкспертов в энергетических целях в Российской Федерации технически возможно уже сейчас ежегодно использовать около800 млн. т. древесной биомассы, котораяне используется призаготовке древесины в настоящее время, и около400 млн т. по сухому веществу органических отходов, причем 250 млн т. Из них сельскохозяйственного происхождения, 70 млн. т. лесной и деревообрабатывающей промышленности, 10 млн. т.древесных и лиственных отходов (собираемых ежегодно в городах), 60 млн. т. твердых бытовых отходов (преимущественно целлюлознобумажные изделия и пластмассы) и 10 млн. т. прочих отходов (например, осадки коммунальных стоков и т.п.). Их переработка потенциально позволяет получить 350400 млн т. у. т. в год и открыть до 50 тысяч новых рабочих мест[4].Биотопливо (биогенное топливо) жидкое, газообразное и твердое искусственное топливо, которое получают припереработкебиомассы и органических отходов коммунальнобытового хозяйства и промышленного производства различными термическими и биологическими способамиБиогаз смесь газов; примерный состав: метан 5565%, углеродистый газ 3545%, примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода. Биогаз образуетсяв процессе разложения отходов (навоза, соломы и т.п.), илового осадка и органических бытовых отходов целлюлозными анаэробными организмами при участии бактерий метанового брожения. Используется как топливо. Для производства биогаза используют также сточные, канализационные воды и городские бытовые отходы. Полученный биогаз может удовлетворять не менее 7080% в потребности электроэнергии самих очистных сооружений Избыточное количество биогаза может использоваться в коммунальных газовых сетях.По проблемам использования биомассы принято к внедрению порядка сотни проектов, относящиеся к производству и использованию биогаза, пиролизу и газификации, переработке отходов, производству топлив и химических продукции из органических отходов.Биотопливо различаютследующих видов:
биэтанол для двигателей с искровым зажиганием;
биодизельное топливобиогаз для различных станционарных агрегатовбиометанол, биодиметил эфирсинтетическое биотопливо
натуральное растительное масло.Преимущества:возобнавляемость;безотходность;
экологичность.Следует отметить, что получение биотоплива на сегодняшний день возможно по следующим технологиям:
возделывание культур с полной переработкой в биотопливо (например рапс) (недостатки замещение посевных площадей технической культурой)
выработка биотоплива из отхотов производств (например переработка отходов сахарных производств;
пиролиз древесных отходов, с/х отходов, твердых бытовых и промышленных отходов;
получение биогаза из органических отходов (напримернавоза)Ряд научных разработок направлено на получение топлива из твердых бытовых отходов.Развитие технологий термохимической конверсии биомассы предполагает, что древесину будут не только собирать на топливо в существующих лесах, но и специально выращивать избыстрорастущих деревьев или кустарников, чтопозволитне только увеличитьрентабельность фермерских хозяйств, но и создать новые рабочие места.Анализ основныхисследований и публикацийБиомасса представляет собой один из древнейший источниковэнергии. В качестве топлива биомассучеловечество использовало до недавнего времени в видепрямогосжиганияв открытых очагах, в печах и топках с очень низким КПД(около 15%). Применение более совершенныхустройств, к примеру, газогенераторов, которые характеризуются более высокимКПД (около 7590%) при относительно низкой их стоимости, которые могутне только снизитьпотребность в топливе более чем в 5 раз, но иснизить выбросыСО2в атмосферу. Создание доступных по стоимости газогенераторов позволитзначительно снизитьпроизвольнуювырубкудеревьев.Сегодня биомасса составляет 15% общего потребления первичных энергоносителей в мире. В развивающихся странах этот показатель доходит до 50%,а в промышленно развитых государствах в среднем 23%. По прогнозамотносительно вклада биомассы в энергетику будущего, наряду с другими нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии, приведен на рисунке 2. Термин «силовая биомасса» подразумевает использование современных промышленных технологий получения энергии из биомассы (исключая ее бытовое использование для получения тепла и приготовления пищи), прогноз ее использования приведен на рисунке 3.
Рис. 2. Прогноз распределения структуры источников энергии к 2020 году
.Рис. 3.Прогноз распределения использования «силовой биомассы»
Технологии транспортных газогенераторов уже более100 лет. В середине прошлого века технология силового использования биомассы достигла высокого уровня развития и применялась во всех сферах народного хозяйства. Газогенераторными установкамиоснащали: практически все известные виды транспорта.Использование транспортных газогенераторов в современных условиях может быть экономически эффективно в сельском хозяйстве, лесной и лесоперерабатывающей промышленности. Парк транспортных средств, сосредоточенных в этих отрасляхво всем мире, включая трактора, комбайны, грейдеры и иную техникусоставляет 100120 млн единиц. Особенныйинтерес вызывает применение газогенераторов в сельском хозяйстве, потому чтопри переходена горючее изсельскохозяйственных отходов позволит сделать цены на сельскохозяйственную продукцию независящимиот цен на топливо нефтяного происхождения.Несмотря на многочисленные публикации как за рубежом, так и среди отечественных разработок фактически основные идеи изложены в 5001000 публикаций все остальные либо повторяют или дублируют основные публикации. Это связано с тем,что исследования проводились приблизительно в одно время в различных странах и, как правило, дублировали друг друга и проводились накануне Первой и Второй мировых войн. С середины двадцатого векаи по настоящее время в мире опубликовано порядка 200 научных трудов по данной теме. Такое количество публикаций в мировом масштабе свидетельствует о том, что технология газогенераторостроения находится лишь в начале своего технического развития.Возрождение транспортных газогенераторов происходилово времятопливного дефицита и скачка цен на нефтьв 1970 году[4]. Стех пор велись немногочисленные исследования энергетического использования биомассы. На Филиппинах, благодаряправительственным инициативам технология получила широкое распространение, найдя применение в сельском хозяйстве, в речном судостроении (для ирригационных насосов) и в дизельгенераторах.Работы по развитию этой технологии пиролиза древесины проводились и в других странах.В Австралии в 1981 году был построен транспортный газогенератор для использования на грузовых автомобилях. Определенные разработки велись в Бельгии, Китае, Финляндии, Франции, Германии и Швеции. В Швеции принята программа перевода сельскохозяйственного транспорта на генераторное топливо до 2010 г. По мнению правительства, это позволит сделать цены на сельскохозяйственную продукцию независящими от стоимости нефтепродуктов.Перспективы дальнейшего развития.Главный аргумент, высказываемый сегодня в пользу применения газогенераторных технологий, это возможность использования в качестве топлива биомассу, которая отличаетсясвоей экологической безопасностью и «неисчерпаемостью» ресурсов.В результате конверсии биомасы возможно получение следующих продуктов: пиролизная жидкость, генераторный газ, уголь, смолы.Жидкиепродукты пиролизапредставляетсобойвысокоокисленные углеводороды созначительнымсодержаниемводы,какисходной,так и образовавшейсяврезультатереакции. Можетприсутствоватьтакжетвердое углистоевещество.Пиротопливоимеет гораздо болеевысокуюэнергетическую плотностьпосравнениюсисходнымсырьем,котораясравнимас энергетическойплотностью, например, дизельноготоплива. Однакоего элементарныйсоставивязкость существенноотличаютсяоттрадиционных жидкихтоплив,атеплота сгорания практическивдвоениже(таблица1) [5].Характеристика протекания процесса пиролиза можнопредставить следующим образом[6]:Медленный пиролиз. Для данного процессахарактерна медленная скорость нагрева менее 1 градуса в секунду, температура протекания процесса составляет 400600 градусов цельсия, размер частиц для пиролизаот 5 до 50 мм, в качестве получаемых продуктов получают углистый остаток, газ, нефтьБыстрый пиролиз скорость нагрева от 10 до 200 градусов в секунду, температура процесса 500650 градусов цельсия, размер частиц мене 1 мм, продукты реакции: масла, углистый остаток, газ.Флешпиролиз –скорость нагрева 1000 градусов в секунду, температура около 650 градусов, размер частиц материала менее 0,2 мм, получаемые продукты: биомасло, газТаблица 1Сравнение энергетических характеристик различныхтоплив[5]
Сырье
топливоХарактеристики получаемого пиротоплива
Теплотасгорания Температура пиролизаСоснаБионефть27,164 МДж/кг500800ЕльБионефть18,73 МДж/кг500800БерезаБионефть24,056 МДж/кг500800ОсинаБионефть24,994 МДж/кг500800СоломаСинтезгаз50МДж/кг600Древесные опилкиСинтезгаз18,319 МДж/кг650700Опавшие листьяСинтезгаз30,4 МДж/кг600РТИПиролизная жидкость39 МДж/кг525СинтезгазМДж/кг525ТБОПиролизная жидкость4200 ккал/кг
Качествопиротоплива полученногопиролизом, может быть недостаточнымдляего использованиявкоммерческихцелях.Поэтому применяются различныетехнологииповышениякачества,которыеможно разделить нафизическиеихимические.Физическиеметодызаключаютсяв фильтрациижидкости/паровдляудаленияуглистоговещества,формировании эмульсийсуглеводородамии добавлениирастворителей.Кхимическим методамотносят реакциюсоспиртами,каталитическоедезоксигенирование (удалениекислорода),гидрогенизациюикаталитический(цеолитовый)крекингвпаровой фазе [5].Использование древеснойпиролизнойжидкости.По прогнозам специалистов, в будущем Россия могла бы стать для Европы главным экспортером экологически чистого, возобновляемого топлива на основе биомассы. Ухудшение экологической обстановки, наблюдаемое в мире, требует оперативного решения вопросов рационального получения и использования энергоресурсов. При традиционных способах переработки полезных ископаемых образуется большое количество отходов и выделяется много вредных веществ, участвующих в образовании парникового эффекта на планете. Важной практической задачей, по мнению авторов, является разработка и совершенствование технологий газификации биомассы и эффективного сгорания топливного газа в автомобильных газогенераторах.Выводы:1. Использованиетранспортныхгазогенераторов с технической точки зрения предпочтительнее любых других силовых установок,которые работаютна альтернативных видах топлива.2. Прирассмотрениитехнологийразвивавшихся в 20м веке прослеживается возможностьразработки«всеядного» газогенератора, который будет работатьна различных видах биомассы.3. Проводимые исследования опровергаютмнение, что использование генераторного газа вместо бензина являлось вынужденной мерой, но газовое топливо сгорает полнее, поэтому в выхлопе газового двигателя концентрация окиси углерода меньше, чем в выхлопе бензинового или дизельного.5.Газовыеи бензиновые автотракторные двигателивыбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Опасны не сами эти вещества, а продукты их окисления. Двигатель, который работаетна бензине, выбрасывает относительнолегко окисляющиеся вещества, такие как этил и этилен. Газовый двигатель производит метан, который устойчив к окислению. Поэтому выброс газового ДВСнаименее опасен.6. Генераторный газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.Снижение интереса к газогенераторным технологиямобусловленонизкими ценами на топливо нефтяного происхождения.
Ссылки на источники1.Лисиенко, В. Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. В 3х кн. Кн.1 : справочник / В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков, М. Г. Ладыгичев ; ред. В. Г. Лисиенко . –М. : Теплотехник, 2004 . –604с.2.Костенко В.И., Сидоркин В.И., Екшикеев Т.К., Янчеленко В.А. Эксплуатационные материалы (для автомобильного транспорта).: Учеб. пособие. СПб.: Издво СЗТУ, 2005. –165 с.3.ГОСТ 275772000 Газ природный топливный компилированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия4.Анисимов, Г.М. Лесотранспортные машины. [Электронный ресурс] / Г.М. Анисимов, А.М. Кочнев. —Электрон. дан. —СПб. : Лань, 2009. —448 с. —Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/96 —Загл. с экрана.5.Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 1//Экотехнологии и ресурсосбережение.2000.№2.С. 310.6.Майтри Полсонгкрам. Физикохимические превращения при регулируемом термическом разложении древесной биомассы.:диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук / Национальный исследовательский Томский политехнический университет.Томск, 2012. –113 с.
Сычев Евгений Александровичмагистрант, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовevgeniy_sychev_2018@mail.ru
Копылов Сергей Ивановичмагистрант, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовserkox@yandex.ru
Копылов Владимир Владимировичмагистрант, ФГБОУ ВО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбовmr.vovanvovanich@mail.ru
Получение топлива из отходов –состояние и перспективы
Аннотация.Встатье рассмотрены альтернативные видытоплива, дана их характеристика, рассмотрены преимущества и недостатки применения различных видов альтернативных топлив. Приведено историческое развитие исследований пиролиза древесины, возможные перспективы развития газогенераторных установок.Ключевые слова:альтернативное топливо, пиролиз, древесина, твердые бытовые отходы, сельскохозяйственные отходы.
На сегодняшний деньэнергетические потребности человечества по различным оценкам[1]составляют1215млрд т. условного топлива, что равняется прмиерно12% энергии ежегодного прироста биомассы на земном шаре. Потребности в энергии покрываютсяза счёт использования нефти и газа,угля,гидрои атомной энергии,и биомассы (примерное распределение представлено на рис.1).
Рис.1.Структура покрытия энергопотребности человечества за счет различных ресурсов
Для функционирования всех видов транспорта на земле расходуется в мире ежегодно около 4,5 млрд. тонн условного топлива[1].Не смотря наинтенсивныйрост потреблениятоплива нефтяного происхождения, постоянно проводится поиск и исследованияо возможностииспользования растительной биомассы в качестве моторного топлива. В ряде случаев в связи с постоянным ростом цен на нефтянные топлива получение топлива из растительной массы становится все более актуальным, а в ряде случаев и рентабельным.Проблема получения и использование альтернативных видов топлива возникла при значительном росте машин использующими в качестве топлива продукты нефтепереработки. общепринятое понятие альтернативного топлива –включает в себя топливо, которое частично или полностью получено без использования продуктов переработки нефти, и характеризуется целенаправленным производством основанном на нетрадиционных видах сырья и энергоресурсов.По своим свойствам и условиям хранения альтернативные топлива принято разделятьна три группы[2]:
топлива на нефтяной основе с добавками не нефтяного происхождения, которые по эксплуатационным свойствам близкик нефтяным дистиллятам топлива;
синтетические жидкие топлива, близкие по свойствам традиционным нефтяным топливам, получаемые при переработке жидкого, газообразного или твердого сырья;
не нефтяные топлива, существенно отличающие по физикохимическим и эксплуатационным свойствам от жидких нефтяных.При производстве альтернативных топлив, к конечному продуктупредъявляются следующие основные требования:наличие достаточных ресурсов, приемлемая стоимость,технологическая и энергетическая совместимость с транспортными силовыми установками, приемлемые экологические и экономические показатели процессов производствами, пользования топлива.Наиболее распространенной альтернативойнефтяных топлив на сегодняшний день являются сжатые углеводородные газы.Сжатый природный газ (СПГ) является альтернативнымтопливомдля двигателейвнутреннего сгорания, которое не требуетзначительной технологической обработки[3]. Однимиз основных преимуществ СПГ при использовании на автомобильном транспортеявляется отсутствие дорогостоящей технологической обработки.Природный газ,как топливо для транспортаи генераторных станций,обладаетрядомпреимуществ перед бензином и сниженным нефтяным газом(СНГ), но имеются и недостатки тоже.Преимущества:
двигатель на природном газе не опаснее бензинового, и менее опасен двигателя на пропанбутане;Экологичность;большиезапасы природного газа в природе;
более низкая себестоимость по сравнению с бензиноми СНГ;
природный газ имеет более высокиехарактеристики, по сравнению сбензином, как следствие можно повысить степень сжатия и, следовательно, мощность двигателя;
легкость пуска двигателя при низких температурах, меньший износ двигателя.Недостатки:
переводв сжиженное состояниепроисходит при очень низкой температуре;
тарадля хранения природного газа в сжатом виде достаточно дорогапо стоимости и металлоемкими по сравнению с обычными бензобаками, а также с баллонами для СНГ.
снижениегрузоподъемностиавтомобиляизза монтажа дополнительного оборуджования;
снижение мощностидвигателя на 10—12 %.при переводе на сжатый газ без применения конструктивных изменений.Сжиженные углеводородные газыСНГпо свойствам относится к высококачественным полноценным топливам для автотракторных двигателей.Преимущества:
Увеличениесрокаслужбы моторного масла в 1,5—2 раза;
снижение сильнойкоррозиидеталей и их износа изза меньшего содержания серы;
СНГрастворяет смолистые отложения в топливной системе и камере сгорания,и соответственноулучшаетработусистемы зажигания;снижениетоксичности выхлопных газов;
снижениевероятности детонации двигателя,улучшениединамикиего работы, в увеличениемежремонтного ресурса;
более низкая стоимостьв сравнении с бензином;
для сжиженного газа применяются болеелегкие баллоны и несложнуюгазовуюаппаратуру, которые рассчитанына рабочее давлениев1,6 МН/м2.Недостатки:
снижениена 68% мощностии соответственно увеличениена 1012% удельный расход топлива.Спиртовые топливаОсновной проблемой использования бензометанольных смесей является их высокая стоимость изза необходимости добавления до 7 % высших спиртов.Использование спиртов в дизелях затрудняется изза высокой температуры самовоспламенения и плохих смазывающих свойств,которые ведутк повышенному износу элементов топливной аппаратуры.Токсичность топливатакже создает затруднение в применении. Обладаявысокой летучестью метанол при применениив качестве топлива требуеттщательнойгерметизациитопливоподающей системы двигателя.Синтетическое горючееПонятиесинтетическое горючее обозначаетжидкие и газообразные виды горючего топлива, которые получают из угля или нефтеносных сланцев (иди других источников), а не из естественной нефти или природного газа. Синтетическое горючее известно уже давно.Горючее масло, получаемое из нефти или из угля, может быть сегодня названо синтетическим горючим.Не является новостью и синтетический газ, хотя количество и качество этого продукта в настоящее время существенно отличается от ранее имевшихся. Наиболее перспективным сырьем для производства синтетического жидкого топлива признан уголь как широко распространенный вид твердых горючих ископаемых. Водородное топливоВодород считается топливом будущего, благодаря практически неограниченным ресурсам и отсутствию в продуктах сгорания вредных веществ. Основной проблемой применения водорода является его повышенная взрывоопасность, низкая плотность и низкая температура кипения. Кроме того, стоимость производства водорода в 3—5 раз выше стоимости производства нефтяных топлив. К преимуществам использования водорода в качестве автомобильного топлива следует отнести его высокую детонационную стойкость. Это позволяет увеличить степень сжатия и давление наддува. Наибольших успехов в области применения водорода в качестве топлива достигли такие фирмы, как Toyota, MercedesBenz и ряд американских фирм.В нашей стране и за рубежом создан ряд опытных моделей автомобилей, работающих на водороде. Практический интерес представляет применение водорода по двухтопливной схеме —в качестве добавки к бензину. В этом случае топливная экономичность автомобиля повышается на—40 %, выбросы окиси углерода уменьшаются на 30—40 %, а наиболее токсичных окислов азота в 1,5—2раза.Азотоводородные топливаИз теоретически возможных соединений азотаи водородавсего лишьдва соединения обладаютдостаточно стабильнымисвойствамии представляют интерес для рассмотрения в качестве возможного перспективного топлива: аммиак и гидразин.Для успешного использования чистого аммиака в качестве топлива необходимо, как минимум, существенное повышение энергетического уровня зажигания, поэтому в двигателях с принудительным воспламенением сгорание аммиака возможнопри наличии высокотемпературной свечи с широким искровым промежутком и мощной катушкой зажиганияПылевидное топливо и суспензииИсследования проводимые по применению твердого топлива в двигателе внутреннего сгорания в виде каменноугольной пыли или ее суспензии с жидким топливом дают первые положительныерезультаты.Пылевидное топливо или дисперсные топливные системынаходят все большее применение. Эффективность применения определяется такими их свойствами, как стабильность, вязкость, транспортабельность и др. Поскольку дисперсные топливные системы в ряде случаев обладают определенными преимуществами перед натуральными топливами, перспективы и масштабы их применения скорее всего будут непрерывно расти.БиотопливоНесмотря на огромные запасы энергетических ресурсов на территории нашей страны периодически возникают острейшие энергетические кризисы в ряде регионов. По данным Минтопэнерго, в РФ около 60% территории страны находятся без централизованного электроснабжения. В этих удаленных территориях проживает 10% населения нашей страны. Энергоснабжение населенных пунктов без централизованного электроснабжения происходитв основном за счет жидкого топлива, что крайне экономически не целесообразно, тем более, что в подавляющем большинстве это регионыс большими запасами древесины, в том числе и большим количеством отходов деревообработки. На территории России каждый год производится около15 млрд. т. биомассы, энергия которой эквивалентна примерно 6 млрд т. у. т. По оценкеэкспертов в энергетических целях в Российской Федерации технически возможно уже сейчас ежегодно использовать около800 млн. т. древесной биомассы, котораяне используется призаготовке древесины в настоящее время, и около400 млн т. по сухому веществу органических отходов, причем 250 млн т. Из них сельскохозяйственного происхождения, 70 млн. т. лесной и деревообрабатывающей промышленности, 10 млн. т.древесных и лиственных отходов (собираемых ежегодно в городах), 60 млн. т. твердых бытовых отходов (преимущественно целлюлознобумажные изделия и пластмассы) и 10 млн. т. прочих отходов (например, осадки коммунальных стоков и т.п.). Их переработка потенциально позволяет получить 350400 млн т. у. т. в год и открыть до 50 тысяч новых рабочих мест[4].Биотопливо (биогенное топливо) жидкое, газообразное и твердое искусственное топливо, которое получают припереработкебиомассы и органических отходов коммунальнобытового хозяйства и промышленного производства различными термическими и биологическими способамиБиогаз смесь газов; примерный состав: метан 5565%, углеродистый газ 3545%, примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода. Биогаз образуетсяв процессе разложения отходов (навоза, соломы и т.п.), илового осадка и органических бытовых отходов целлюлозными анаэробными организмами при участии бактерий метанового брожения. Используется как топливо. Для производства биогаза используют также сточные, канализационные воды и городские бытовые отходы. Полученный биогаз может удовлетворять не менее 7080% в потребности электроэнергии самих очистных сооружений Избыточное количество биогаза может использоваться в коммунальных газовых сетях.По проблемам использования биомассы принято к внедрению порядка сотни проектов, относящиеся к производству и использованию биогаза, пиролизу и газификации, переработке отходов, производству топлив и химических продукции из органических отходов.Биотопливо различаютследующих видов:
биэтанол для двигателей с искровым зажиганием;
биодизельное топливобиогаз для различных станционарных агрегатовбиометанол, биодиметил эфирсинтетическое биотопливо
натуральное растительное масло.Преимущества:возобнавляемость;безотходность;
экологичность.Следует отметить, что получение биотоплива на сегодняшний день возможно по следующим технологиям:
возделывание культур с полной переработкой в биотопливо (например рапс) (недостатки замещение посевных площадей технической культурой)
выработка биотоплива из отхотов производств (например переработка отходов сахарных производств;
пиролиз древесных отходов, с/х отходов, твердых бытовых и промышленных отходов;
получение биогаза из органических отходов (напримернавоза)Ряд научных разработок направлено на получение топлива из твердых бытовых отходов.Развитие технологий термохимической конверсии биомассы предполагает, что древесину будут не только собирать на топливо в существующих лесах, но и специально выращивать избыстрорастущих деревьев или кустарников, чтопозволитне только увеличитьрентабельность фермерских хозяйств, но и создать новые рабочие места.Анализ основныхисследований и публикацийБиомасса представляет собой один из древнейший источниковэнергии. В качестве топлива биомассучеловечество использовало до недавнего времени в видепрямогосжиганияв открытых очагах, в печах и топках с очень низким КПД(около 15%). Применение более совершенныхустройств, к примеру, газогенераторов, которые характеризуются более высокимКПД (около 7590%) при относительно низкой их стоимости, которые могутне только снизитьпотребность в топливе более чем в 5 раз, но иснизить выбросыСО2в атмосферу. Создание доступных по стоимости газогенераторов позволитзначительно снизитьпроизвольнуювырубкудеревьев.Сегодня биомасса составляет 15% общего потребления первичных энергоносителей в мире. В развивающихся странах этот показатель доходит до 50%,а в промышленно развитых государствах в среднем 23%. По прогнозамотносительно вклада биомассы в энергетику будущего, наряду с другими нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии, приведен на рисунке 2. Термин «силовая биомасса» подразумевает использование современных промышленных технологий получения энергии из биомассы (исключая ее бытовое использование для получения тепла и приготовления пищи), прогноз ее использования приведен на рисунке 3.
Рис. 2. Прогноз распределения структуры источников энергии к 2020 году
.Рис. 3.Прогноз распределения использования «силовой биомассы»
Технологии транспортных газогенераторов уже более100 лет. В середине прошлого века технология силового использования биомассы достигла высокого уровня развития и применялась во всех сферах народного хозяйства. Газогенераторными установкамиоснащали: практически все известные виды транспорта.Использование транспортных газогенераторов в современных условиях может быть экономически эффективно в сельском хозяйстве, лесной и лесоперерабатывающей промышленности. Парк транспортных средств, сосредоточенных в этих отрасляхво всем мире, включая трактора, комбайны, грейдеры и иную техникусоставляет 100120 млн единиц. Особенныйинтерес вызывает применение газогенераторов в сельском хозяйстве, потому чтопри переходена горючее изсельскохозяйственных отходов позволит сделать цены на сельскохозяйственную продукцию независящимиот цен на топливо нефтяного происхождения.Несмотря на многочисленные публикации как за рубежом, так и среди отечественных разработок фактически основные идеи изложены в 5001000 публикаций все остальные либо повторяют или дублируют основные публикации. Это связано с тем,что исследования проводились приблизительно в одно время в различных странах и, как правило, дублировали друг друга и проводились накануне Первой и Второй мировых войн. С середины двадцатого векаи по настоящее время в мире опубликовано порядка 200 научных трудов по данной теме. Такое количество публикаций в мировом масштабе свидетельствует о том, что технология газогенераторостроения находится лишь в начале своего технического развития.Возрождение транспортных газогенераторов происходилово времятопливного дефицита и скачка цен на нефтьв 1970 году[4]. Стех пор велись немногочисленные исследования энергетического использования биомассы. На Филиппинах, благодаряправительственным инициативам технология получила широкое распространение, найдя применение в сельском хозяйстве, в речном судостроении (для ирригационных насосов) и в дизельгенераторах.Работы по развитию этой технологии пиролиза древесины проводились и в других странах.В Австралии в 1981 году был построен транспортный газогенератор для использования на грузовых автомобилях. Определенные разработки велись в Бельгии, Китае, Финляндии, Франции, Германии и Швеции. В Швеции принята программа перевода сельскохозяйственного транспорта на генераторное топливо до 2010 г. По мнению правительства, это позволит сделать цены на сельскохозяйственную продукцию независящими от стоимости нефтепродуктов.Перспективы дальнейшего развития.Главный аргумент, высказываемый сегодня в пользу применения газогенераторных технологий, это возможность использования в качестве топлива биомассу, которая отличаетсясвоей экологической безопасностью и «неисчерпаемостью» ресурсов.В результате конверсии биомасы возможно получение следующих продуктов: пиролизная жидкость, генераторный газ, уголь, смолы.Жидкиепродукты пиролизапредставляетсобойвысокоокисленные углеводороды созначительнымсодержаниемводы,какисходной,так и образовавшейсяврезультатереакции. Можетприсутствоватьтакжетвердое углистоевещество.Пиротопливоимеет гораздо болеевысокуюэнергетическую плотностьпосравнениюсисходнымсырьем,котораясравнимас энергетическойплотностью, например, дизельноготоплива. Однакоего элементарныйсоставивязкость существенноотличаютсяоттрадиционных жидкихтоплив,атеплота сгорания практическивдвоениже(таблица1) [5].Характеристика протекания процесса пиролиза можнопредставить следующим образом[6]:Медленный пиролиз. Для данного процессахарактерна медленная скорость нагрева менее 1 градуса в секунду, температура протекания процесса составляет 400600 градусов цельсия, размер частиц для пиролизаот 5 до 50 мм, в качестве получаемых продуктов получают углистый остаток, газ, нефтьБыстрый пиролиз скорость нагрева от 10 до 200 градусов в секунду, температура процесса 500650 градусов цельсия, размер частиц мене 1 мм, продукты реакции: масла, углистый остаток, газ.Флешпиролиз –скорость нагрева 1000 градусов в секунду, температура около 650 градусов, размер частиц материала менее 0,2 мм, получаемые продукты: биомасло, газТаблица 1Сравнение энергетических характеристик различныхтоплив[5]
Сырье
топливоХарактеристики получаемого пиротоплива
Теплотасгорания Температура пиролизаСоснаБионефть27,164 МДж/кг500800ЕльБионефть18,73 МДж/кг500800БерезаБионефть24,056 МДж/кг500800ОсинаБионефть24,994 МДж/кг500800СоломаСинтезгаз50МДж/кг600Древесные опилкиСинтезгаз18,319 МДж/кг650700Опавшие листьяСинтезгаз30,4 МДж/кг600РТИПиролизная жидкость39 МДж/кг525СинтезгазМДж/кг525ТБОПиролизная жидкость4200 ккал/кг
Качествопиротоплива полученногопиролизом, может быть недостаточнымдляего использованиявкоммерческихцелях.Поэтому применяются различныетехнологииповышениякачества,которыеможно разделить нафизическиеихимические.Физическиеметодызаключаютсяв фильтрациижидкости/паровдляудаленияуглистоговещества,формировании эмульсийсуглеводородамии добавлениирастворителей.Кхимическим методамотносят реакциюсоспиртами,каталитическоедезоксигенирование (удалениекислорода),гидрогенизациюикаталитический(цеолитовый)крекингвпаровой фазе [5].Использование древеснойпиролизнойжидкости.По прогнозам специалистов, в будущем Россия могла бы стать для Европы главным экспортером экологически чистого, возобновляемого топлива на основе биомассы. Ухудшение экологической обстановки, наблюдаемое в мире, требует оперативного решения вопросов рационального получения и использования энергоресурсов. При традиционных способах переработки полезных ископаемых образуется большое количество отходов и выделяется много вредных веществ, участвующих в образовании парникового эффекта на планете. Важной практической задачей, по мнению авторов, является разработка и совершенствование технологий газификации биомассы и эффективного сгорания топливного газа в автомобильных газогенераторах.Выводы:1. Использованиетранспортныхгазогенераторов с технической точки зрения предпочтительнее любых других силовых установок,которые работаютна альтернативных видах топлива.2. Прирассмотрениитехнологийразвивавшихся в 20м веке прослеживается возможностьразработки«всеядного» газогенератора, который будет работатьна различных видах биомассы.3. Проводимые исследования опровергаютмнение, что использование генераторного газа вместо бензина являлось вынужденной мерой, но газовое топливо сгорает полнее, поэтому в выхлопе газового двигателя концентрация окиси углерода меньше, чем в выхлопе бензинового или дизельного.5.Газовыеи бензиновые автотракторные двигателивыбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Опасны не сами эти вещества, а продукты их окисления. Двигатель, который работаетна бензине, выбрасывает относительнолегко окисляющиеся вещества, такие как этил и этилен. Газовый двигатель производит метан, который устойчив к окислению. Поэтому выброс газового ДВСнаименее опасен.6. Генераторный газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.Снижение интереса к газогенераторным технологиямобусловленонизкими ценами на топливо нефтяного происхождения.
Ссылки на источники1.Лисиенко, В. Г. Топливо. Рациональное сжигание, управление и технологическое использование. В 3х кн. Кн.1 : справочник / В. Г. Лисиенко, Я. М. Щелоков, М. Г. Ладыгичев ; ред. В. Г. Лисиенко . –М. : Теплотехник, 2004 . –604с.2.Костенко В.И., Сидоркин В.И., Екшикеев Т.К., Янчеленко В.А. Эксплуатационные материалы (для автомобильного транспорта).: Учеб. пособие. СПб.: Издво СЗТУ, 2005. –165 с.3.ГОСТ 275772000 Газ природный топливный компилированный для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия4.Анисимов, Г.М. Лесотранспортные машины. [Электронный ресурс] / Г.М. Анисимов, А.М. Кочнев. —Электрон. дан. —СПб. : Лань, 2009. —448 с. —Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/96 —Загл. с экрана.5.Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор современных технологий получения жидкого топлива из биомассы быстрым пиролизом. Часть 1//Экотехнологии и ресурсосбережение.2000.№2.С. 310.6.Майтри Полсонгкрам. Физикохимические превращения при регулируемом термическом разложении древесной биомассы.:диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук / Национальный исследовательский Томский политехнический университет.Томск, 2012. –113 с.
