Химия и химические технологии/ 6. Органическая хмимия

к.т.н. Иманкулов Н.Н.

Южно-Казахстанский государственный университет

имени М.Ауезова, Республика Казахстан

Биоэтанол – альтернативная замена моторного топлива

Долгое время этанол был известен лишь в качестве разбавителя топлива узкого применения. В настоящее время он считается важной составляющей бензина и высоко ценится благодаря содержанию кислорода и высокому октановому числу. Кроме того, производство этанола может быть налажено в сельской местности, обеспечивая столь необходимые там рабочие места и налоговые поступления, этанол вносит ценный вклад в энергетическую и экономическую безопасность страны и является наилучшим из имеющихся средств борьбы с газами, вызывающими парниковый эффект. Биоэтанол - это жидкое спиртовое топливо, который производится из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар, например, из кукурузы, зерновых или сахарного тростника. В отличие от спирта, из которого производятся алкогольные напитки, топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны вместо пяти) поэтому содержит метанол и сивушные масла, а также бензин. В настоящее время наблюдается рост производства и потребления этанола во всем мире, хотя основная его часть производится в Северной и Южной Америке.

В связи с тем, что большинство программ по производству альтернативных видов топлива получают государственные субсидии или налоговые льготы, а иногда и то, и другое, существуют опасения, что увеличение объемов импорта может негативно сказаться на местном производстве. В настоящее время этанол потребляется преимущественно странами-производителями, но в будущем ситуация, по всей видимости, изменится, в связи с ростом производства этанола и в других регионах.

Такое оживление в этой области сельского хозяйства во многом связано с небывалым ростом количества фермерских кооперативов, приобретающих оборудование по производству этанола. По данным Ассоциации возобновляемого топлива, 900 000 американских фермеров являются членами кооперативов по производству этанола.

Положительное воздействие на экономику оказывает не только этанол. Из одной тонны кукурузы (точнее, из крахмала, содержащегося в этой тонне) можно произвести не менее до 410 литров этанола. В зависимости от используемого оборудования в процессе выработки этанола может быть произведен и ряд других продуктов: кукурузное масло, двуокись углерода, подсластители (мальтозные и глюкозные сиропы), протеиновый корм для животных (клейковина зерна и глютен), и сухую барду. Эти побочные продукты зачастую приносят заводам биоэтанола (биозаводам) значительные доходы. Этанол нетоксичен и растворим в воде.

По оценкам Управления по охране окружающей среды США, бензин является крупнейшим источником искусственных канцерогенных веществ. Благодаря добавлению этанола, бензин обогащается кислородом, что способствует более полному сгоранию и уменьшению выбросов окиси углерода на 30%. Он также уменьшает выбросы токсичных веществ на 30%, а выбросы летучих органических соединений - более чем на 25%. Проанализировав жизненный цикл этанола, Департамент сельского хозяйства США пришел к выводу, что этанол вырабатывает 134% энергии, затрачиваемой при выращивании, уборке и переработке кукурузы. Бензин же возвращает лишь 80% энергии, используемой в его производстве.

В настоящее время в Соединенных Штатах рассматривается внедрение Стандарта возобновляемого топлива, в соответствии с которым определенную долю общего объема топлива, потребляемого страной, должно будет составлять возобновляемое топливо американского производства, как, например, этанол и биодизель. По данным исследования, проведенного компанией AUS Consultants, благодаря введению нового стандарта импорт сырой нефти к 2012 году сократится более чем на 250 млн. тонн.

Американскими учеными разработана мини-установка для производства топлива из некондиционных спиртных напитков (отходов ресторана) или из сахарного сырья. Полностью автоматическая, заявленная себестоимость топлива - 0.25 долл./литр, мощность - 150 литров в неделю, цена установки в США - 10,000 долларов. Существует два процесса производства биоэтанола, условно обозначаемые как «мокрый» и «сухой», где в результате процесса выделяется глютен с крахмалом или крахмал соответственно (рисунки 1,2).

Рисунок 1. Технологическая схема получения биоэтанола с выделение глютена и крахмала (по GEA Wiegand)

Рисунок 2. Технологическая схема получения биоэтанола с выделение крахмала (по GEA Wiegand)

Этанол можно производить из любого сахаро - и крахмалосодержащего сырья: сахарного тростника и свеклы, картофеля, топинамбура, кукурузы, пшеницы, ячменя, ржи и т.д. Поэтому главный критерий выбора сырья для вашего завода - его доступность и наличие для переработки 365 дней в году. Рисунок 3 ниже дает представление о том, сколько сырья надо переработать для достижения планируемой производительности завода. Выход этанола из тонны сырья, при 90% конверсии крахмала в этанол. Слева направо: картофель, кассава, овес, ячмень, пшеница, мило, рожь, кукуруза, рис (полированный), сорго (просо).

Рисунок 3 – Количество необходимого растительного сырья для производства биоэтанола

Выход конечного продукта с тонны сырья (сухой помол) представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Выход биоэтанола с 1 тонны сырья

Сырье	Этанол, л	Сухая барда, кг	CO2, кг
Пшеница	375	330	370
Рожь	357	390	350
Ячмень	330	430	320
Кукуруза	410	300	400

Смесь бензина и этанола, известная под названием E-10,используется американскими автомобилистами вот уже четверть века. Использование E-10 разрешено всеми крупными производителями автомобилей. Топливо Е-10, подходящее для использования во всех видах автомобилей, улучшает работу двигателя путем добавления 2-3 октановых единиц к детонационной стойкости топлива, противодействует перегреву двигателя, выполняет функцию антифриза топливопровода и не вызывает загрязнения топливной форсунки. Этанол является сырьем для производства этил-третбутилового эфира (ETBE), который гораздо менее токсичен, чем метил-третбутиловый эфир. Производство и потребление этанола растет как в США, так и во всем мире. В Соединенных Штатах повышению спроса на этанол способствовало принятие в 1990 году поправок к «Акту о чистом воздухе», которые требуют использования обогащенного кислородом топлива в районах с недопустимо высоким уровнем загрязнения воздуха, особенно в мегаполисах. В других странах также необходим аналогичный закон, чтобы очистить воздух в крупных городах.

Литература:

1 Бишимбаев В.К., Исаева А.У., Иманкулов Н.Н. Технология получения экологически чистых биодизельных топлив на основе растительного сырья. //Материалы монографии/ -Шымкент: ЮКГУ,2009.-137с.

2 Емельянов В.Е.. Крылов И.Ф. Альтернативные моторные топлива. Производство, применение, перспективы. Мир нефтепродуктов. 2005, №5, с.46-48.

3 Льото В., Лупонин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. -М.:МАДИ, 2000. -311с.

4 Иманкулов Н.Н., Балабеков О.С. Биодизельное топливо растительного происхождения. //Материалы научно-практической конференции «Нефтехимия и нефтепереработка». Уфа (РФ), 2008.

5 Иманкулов Н.Н., Балабеков О.С. Биотопливо растительного происхождения. Матер. Межд. форума «Аналитика и аналитики», Воронеж, 2008.