Салимзянова А.А., Кострюкова Н.В, Кислицын М.И.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОЭТАНОЛА В КАЧЕСТВЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ТОПЛИВА

Используемые человечеством технологии ориентированы в первую очередь на использование невозобновляемых природных ресурсов. Это нефть, уголь, руды и т.п. При этом их использование технологически влечёт за собой нарушения в окружающем мире: уменьшается плодородие почв и количество пресной воды, загрязняется атмосфера и т.п. Альтернативой существующим технологиям являются технологии, ориентированные на переработку растений, использующих для своего роста солнечную энергию. Получающиеся при этом продукты могут закрыть практически все потребности человечества в энергоресурсах. Одним из продуктов, который можно получить из всех растений, является спирт.

В настоящее время производство этанола из отходов сахарного производства (мелассы) является актуальным как с позиции рационального природопользования, так и с точки зрения экономической эффективности.

Технология получения этилового спирта из мелассы основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами (рисунок 1) и включает следующие основные процессы:

- приготовление мелассного сусла;

- сбраживание сусла;

- перегонка бражки.

Основная задача процесса нейтрализации — снижение активной кислотности мелассы с повышением рН от 1,3 до 3,5…5, что достигается нейтрализацией серной и частично органических кислот мелассы с помощью нейтрализующих агентов. В качестве нейтрализующих агентов применяются известковое и меловое молоко, а также аммиачная вода.

Рисунок 1 – Принципиальная технологическая схема получения спирта из мелассы:

Б – бак, Н – насос, ГА – гидролизаппарат, Е – емкость, Н – нейтрализатор, СМ – смеситель, БЧ – бродильный чан, ГЦ – гидроциклон, ГД – газгольдер, С – сепаратор, РК – ректификационная колонна;

В бродильном чане происходит сбраживание мелассного сусла с помощью непрерывно поступающих дрожжей в течение 16-18 часов. По окончании брожения и отделения дрожжей спиртовая бражка содержит от 1,2 до 1,6 % этилового спирта и около 1 % пентозных сахаров.

Следующим этапом является выделение спирта из ректификационной колонны. Процесс ректификации является завершающим этапом получения спирта из мелассы.

Этанол содержит в своем составе разные соединения, такие как метанол, сивушные масла, эфиры и альдегиды. Эти соединения улучшают качество этанола, поэтому их отделять не надо. Без этих соединений, качество этанола ухудшается. В связи с этим, в производстве этанола достаточны только две ректификационные колонны, вместо 3…5 колонн.

Таким образом, при переработке мелассы решаются одновременно две проблемы: проблема утилизация отходов сахарного производства и использование возобновляемых источников энергии.

Этанол может использоваться как топливо, в том числе для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде.

В данной работе произведен расчет эмиссии двигателя ТУ-154, использующий керосин и теоретический расчет эмиссии двигателя, использующий спирт.

Эмиссия двигателей – выброс в атмосферу с отработавшими газами авиационных двигателей прямых и побочных продуктов сгорания топлива, которые могут быть причиной нежелательного воздействия летательного аппарата на окружающую среду. Эмиссии оксида углерода (сажи) – результат неполного сгорания топлива, при которой становится возможным окисление содержащегося в воздухе азота. Количественно эмиссия вредных веществ характеризуется индексами эмиссии отдельных компонентов (число граммов компонента на 1 кг израсходованного топлива).

"Степень вредности" каждого авиадвигателя характеризуется его контрольными параметрами эмиссии различных ингредиентов - _где

М_i – массы каждого вредного вещества, выброшенного за время его работы.

R₀ – тяга двигателя на взлётном режиме – величина, известная из документации, или из формуляра двигателя.

Проведен расчет величины М_i для зоны аэропорта, на тех режимах и за тот период времени работы, когда воздушное судно находится в зоне аэропорта с работающими двигателями.

Воздушное судно в зоне аэропорта производит взлётно-посадочный цикл полёта, который состоит из следующих этапов: запуск и прогрев двигателей; руление до ВПП; взлёт; набор высоты 1000 м; снижение с высоты 1000 м; пробег; руление до остановки двигателей.

Двигатели воздушного судна на этих этапах работают на различных режимах. Поэтому для удобства расчёта разделим взлётно-посадочный цикл воздушного судна на два вида операций: наземные операции и операции взлёт-посадка.

На рисунке 2 представлена диаграмма по результатам расчета эмиссии двигателей самолета Ту-154 и проектного двигателя самолета

Рисунок 1 – Диаграмма распределения вредных веществ самолета Ту-154 и проектного двигателя на спиртовом топливе

Таким образом, двигатель на спиртовом топливе не выбрасывает монооксидов углерода, на 27 % меньше углеводородов, на 40 % меньше оксидов азота, на 32 % меньше оксидов серы. Основную массу выбросов составляют выбросы воды и диоксиды углерода.

Анализ показал, что альтернативный вид топлива – спирт позволяет уменьшить загрязнение окружающей среды, увеличить мощность двигателя, а также использовать возобновляемые источники энергии, не нанося ущерб природной среде.