Бахматов М. Л.

Иркутский государственный технический университет, Россия

Сравнение биотоплив с нефтяными топливами по физико-­химическим характеристикам

Проблема использования альтернативных топлив ста­новится все актуальнее в связи с исчерпаемостью запасов минеральных ресурсов: нефти и природного газа. Разведанных запасов нефти и природного газа при современном уровне добычи по пессимистическим прогно­зам хватит на 120 лет, по опти­мистическим — на 250 [1 -3]. Однако для функционирования огром­ного парка транспортных средств крайне необходимо изыскать в ближайшем будущем новый спо­соб получения жидких моторных топлив.

Для того чтобы жидкое топливо нового вида получило массо­вое применение, его физико-­химические свойства должны удовлетворять определенным кри­териям. B Российской Федерации до недавнего времени жидкое моторное топливо из каких-либо других источников, кроме нефти, не производили, поэтому сравнительными критериями для альтер­нативного топлива являются те, которые установлены для топлив нефтяного происхождения. Ho в этом случае обнаруживаются ряд взаимоисключающих условия. C одной стороны, свойства новых топлив должны быть близки к свойствам традиционных, чтобы не пришлось переделывать или заменять многомиллионный парк двигателей внутреннего сгорания (ДВС), находящийся в эксплуа­тации. C другой стороны, новое топливо должно превосходить традиционное по некоторым (или даже по всем) показателям. Это ставит разработчиков в довольно узкие рамки: заставляет искать близкую альтернативу имеющим­ся топливам.

Наиболее вероятными заме­нителями традиционных жидких топлив являются биоспирты (метанол и этанол) и биодизель (жиры растительного или жи­вотного происхождения, а также некоторые метиловые эфиры жирных кислот). Приставка «био» свидетельствует либо о биологи­ческом происхождении данных топлив, либо о применении при их производстве биотехнологий. Получаемые продукты могут быть использованы как самостоятель­но, так и в качестве добавок к традиционным топливам.

Анализ многочисленных раз­работок в данном направлении [14—27] показал, что на биотоп­лива возлагаются надежды по обеспечению перед нефтяными топливами ряда преимуществ, а именно превосходных экологических характеристик при их про­изводстве, хранении, транспор­тировке и применении. Близость биотоплив по химическому со­ставу к традиционным топливам, в свою очередь, должна сохранить неизменными эксплуатационные характеристики. K тому же произ­водство биотоплив в отличие от традиционных, основывается на переработке возобновляемого сы­рья. B связи с этим чрезвычайно интересно выявить преимущества и недостатки биотоплив и нефтяных топлив при сравнении их физико-химических свойств.

Любой химический продукт или смесь продуктов обладает строго определенным набором физико-химических характери­стик, определяющих их свойства и дальнейшее применение. B та­блице приведены характеристики, наиболее важные для сравнения нефтяных моторных топлив и продуктов, имеющих перспективу использования в качестве жидко­го моторного топлива.

Все свойства биотоплив отличаются от таковых для нефтяных топлив. При этом их численные значения в большинстве случаев для био­топлив несколько выше.

Плотность. Если значения плотности спиртов и автомобиль­ного бензина довольно близки, то в случае заменителей дизельного топлива (биодизеля) разница может достигать 20%, что приведет к закономерному увеличению массы транспортного средства. Наиболее негативные последствия проявятся при эксплуата­ции легкового транспорта в ре­жиме частых остановок и стартов, характерном для эксплуатации автомобиля в городе.

Вязкость. Вязкость автомо­бильного бензина не нормируется действующими нормативными документами [4, 5, 6], а вязкость дизельного топлива установлена на уровне 2—8 мм2/с при 20°С. Вязкость различных биодизелей на 1-2 порядка выше, что затруд­нит их перекачку по топливной магистрали от бака до двигателя, особенно в условиях холодного климата, так как с понижением температуры она чаше всего уве­личивается. Кроме того, струя более вязкого топлива, впрыскиваемая в цилиндр дизельного двигателя, будет разделяться на капли большего размера, что приведет к ухудшению испарения топлива и нарушению нормального процесса его сгорания с ухудшением экс­плуатационных и экологических характеристик работы ДВС.

Содержание воды. Спирты активно растворяют в себе пары воды, диоксид углерода и некоторые другие вещества. Содержание в них воды может привести к расслоению системы. Склонность к расслоению усиливается с по­нижением температуры и уве­личением содержания воды. Например, при содержании в топливной смеси от 0,2 до 1 % об. воды температура расслаивания повышается от -20 до +10°С, т.е. такая смесь становится непри­годной для эксплуатации, так как в холодное время года может произойти образование льда. Спирты способны образовывать с присутствующей в них водой азеотропы (нераздельнокипящие смеси), удаление из которых воды представляет серьезную проблему. При использовании обводнен­ного этанола в условиях пони­женных температур окружающей среды необходимо для предот­вращения расслоения вводить в него специальные стабилизаторы или создавать дополнительные заградительные барьеры. Жиры и метиловые эфиры жирных кислот являются липофильными соединениями, поэтому менее склонны к поглощению влаги, как и нефтяное топливо, состоящее в основном из углеводородов.

Содержание серы. Данный по­казатель выгодно отличает биото­плива от традиционных нефтяных топлив. Так, во всех биотопливах содержатся следовые количества серы, в то время как в нефти се содержание достаточно высоко. Это связано с тем, что раститель­ность практически не усваивает серу из почвы.

Содержание смолы. Смола — это смесь высокомолекулярных соединений, образованию кото­рых способствует наличие в моле­кулах кратных углерод-углеродных связей (-C=C-), способных уча­ствовать в процессе полимери­зации. B современных нефтяных топливах, полученных с помощью термического или каталитиче­ского крекинга, в обязательном порядке присутствуют непредель­ные углеводороды. Растительный биодизель практически полностью состоит из эфиров непредельных жирных кислот (о чем свидетельствует высокое йодное число), что является причиной постепенного осмоления топливной смеси под воздействием условий окружаю­щей среды, причем индуктивный период для биодизеля в разы меньше, чем для обычного дизель­ного топлива. Низшие спирты не содержат смол, поэтому и не под­вержены полимеризации.

Наличие смол в топливе ведет к интенсивному загрязнению топливных магистралей и системы питания ДВС и камер сгорания, ухудшению испарения топлива в процессе образования топли­вовоздушной смеси и прочим негативным последствиям.

Содержание золы. Анализ ли­тературных источников показал, что в обшем зольность биодизеля (0,03 мг/кг) приблизительно в 3 раза выше, чем у нефтепродуктов (0,01 мг/кг). Это увязано с погло­щением фотосинтезирующими организмами в процессе жизне­деятельности неорганических веществ из окружающей среды. Эти вещества в процессе производства биотоплива способны попадать в получаемое топливо. Повышенная зольность приводит к загрязнению камеры сгорания механическими частицами, вызывающими повы­шенный износ в системе цилиндр-поршень, являющейся наиболее важным узлом трения любого ДВС и, как следствие, к преждевремен­ному выходу из строя двигателя.

Кислотное число. Этот пока­затель характеризует химические свойства веществ. Все, без исключения, предлагаемые аль­тернативные топлива содержат кислоты или сами ими являются, в то время как нефтяные топлива кислот не содержат. Повышенное кислотное число свидетельствует о том, что данный вид топлива будет вызывать усиленную коррозию деталей топливной аппаратуры ДВС (топливного бака, насоса, топлив­ных магистралей, форсунок и т.п.) и их преждевременный износ.

Таким образом, при сравни­тельном рассмотрении физико­-химических свойств биотоплив и традиционных нефтяных топлив выяснено, что некоторые биото­плива имеют преимущества перед нефтяными только по содержанию серы и смол, по остальным же пара­метрам значительно уступают им.

 

 

1. Sorensen B. Renewable Encrgy CThird Ediiion). — Elscvicr Inc., 2004.  930 p.

2. Sorensen B. Renewable Energy Conversion. Transmission and Siorage. — Elsevier Inc.. 2007. — 330 p.

3. Бскаев Jl.C.t Марченко O.B., Пинегин CJL и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. — Новосибирск Наука,

2000.                                                                               — 300 с.  х

4. ГОСТ 2084-77 Бензины автомобильные. Технические условия. — М.: Изд-востандартов, I9>S.

5. ГОСТ 1012-72. Бензины авиационные. Технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1996.

6. ГОСГ P 51105—97. Топлива для двигателей внутреннегосгорания. Неэтилированный бензин. — М.: Изд-во стандартов, 1996.