Звонарева Т

Иркутский государственный технический университет, Россия

Сравнение жидких биотоплив с нефтяными топливами по экологическим характеристикам

Автомобильный транспорт занимает одно из лидирующих мест по загрязнению атмосферы выбросами парниковых газов и токсичных веществ, особенно в крупных городах, где сосредоточено основное количество транспортных средств и появление в воздухе вредных и опасных веществ незамедлительно сказывается на здоровье и самочувствии людей, а также на общем экологическом состоянии городской среды. Для снижения неблагоприятной нагрузки на окружающую среду интенсивно внедряются все более жесткие нормы токсичности топлива и двигателей внутреннего сгорания (ДВС), разрабатываются согласно этим нормам новые типы ДВС, совершенствуются системы подачи топлива и принудительного воспламенения и т.д.

Для выявления преимуществ и недостатков биотоплив в сравнении с топливами нефтяного происхождения рассмотрим их некоторые экологические свойства: токсичность как самого топлива. так и продуктов его сгорания, а также эмиссию диоксида углерода.

Токсичность топлива. K наиболее значимым преимуществам биотоплив относят отсутствие токсического воздействия на окружающую среду и биоразлагаемость. Однако внимательное рассмотрение этих свойств биотоплива выявило сложную картину, не позволяющую сделать однозначный вывод о характере его воздействия на окружающую среду. Так, основными элементами санитарного законодательства в Российской Федерации являются предельно допустимая концентрация (ПДК), ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) и ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) веществ в объектах окружающей среды, из которых наиболее значимыми для человека являются воздух и вода, так как они поступают в организм. K сожалению, в научно-технической литературе не содержатся сведения о ПДК, ОБУВ и ОДУ для заменителей традиционного дизельного топлива, но в соответствующих нормативных документах [1—5] обнаружены их значения для различных жиров (растительного и животного происхождения), синтетических эфиров, жирных кислот, спиртов жирного ряда и др. Анализы проб заставляет усомниться в безопасности воздействия некоторых веществ биологического происхождения на окружающую среду. Так, ПДК метанола и этанола в водах рыбохозяйственного назначения составляет 0,15 и 0,01 мг/дм³, в то время как ГЩК нефтепродуктов — 0,05 мг/дм³, т. е. этанол в 5 раз токсичнее нефтепродуктов. Аналогичная картина наблюдается и для атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны, для которых ПДК, ОБУВ и ОДУ нефтепродуктов и спиртов близки или даже ниже, чем у спиртов.

Еще более удивительны данные для растительных и животных жиров, а также эфиров на их основе. Так, максимальная разовая ПДК для эфиров на основе синтетических жирных кислот С₁₁—С₁₅ составляет 5 мг/м³, а для бензина — 900 мг/м³, т.е. для окружающей среды эфиры жирных кислот в 180 раз более вредны, чем бензин.

Рассматривая как преимущество биоразлагаемость биотоплива, следует отметить, что гидролиз метиловых эфиров жирных кислот приводит к выделению внутри бактериальной клетки метанола, который, достигнув определенной концентрации, вызывает eё гибель.

Эмиссия диоксиду углерода. B процессе полного сгорания моторного топлива органического происхождения образуются только два компонента диоксид углерода и вода. Ha оба эти вещества возлагается ответственность за изменение климата на Земле, так как считается, что их присутствие в атмосфере вызывает парниковый эффект. Ho эти вещества резко различаются по термодинамическим свойствам: пары воды способны сконденсироваться и уйти из атмосферы, а диоксид углерода, являясь газообразным веществом в более широком диапазоне температур и давлений, остается в атмосфере до тех пор, пока не будет связан фотосинтезирующими организмами.

С увеличением молекулярной массы органического вещества повышается массовое содержание в нем углерода, в то время как содержание водорода снижается. Так, в случае метана углерод составляет 75% массы молекулы, а в случае эйкозана — 85%. Ta же картина наблюдается при переходе от предельных углеводородов к ароматическим: в случае бензола углерод составляет уже 90% массы молекулы. Увеличение содержания углерода приводит к увеличению выхода диоксида углерода при полном сгорании молекулы.

Taким образом, для снижения эмиссии диоксида углерода необходимо использовать низко молекулярные насыщенные органические соединения. C этой точки зрения метан (CO₂:H₂O = 0,5) представляет экологически самую привлекательную альтернативу традиционным видам топлив. Ta же картина наблюдается для метанола и этанола, для которых CO₂ : H₂O равно соответственно

0,50 и 0,66.

B случае дизельного топлива картина обратная. Так, биодизель имеет по сравнению с традиционным дизельным топливом большую молекулярную массу, но при этом содержит меньше углерода, а значит, эмиссия диоксида углерода при его сгорании должна снизиться. Тем не менее данная картина обманчива, так как снижение доли углерода в молекуле является результатом присутствия атомов кислорода n молекулах жиров и метиловых эфиров жирных кислот. Подсчет отношения CO₂:H₂O в данном случае показал не снижение, а небольшой прирост эмиссии диоксида углерода: ~ 1,08 против ~ 1 в случае традиционного дизельного топлива. Поэтому если с точки зрения эмиссии диоксида углерода переход к более низкомолекулярному топливу (замена бензина на спирты) оправдан, то замена нефтяного дизельного топлива более высокомолекулярным биодизелем не выдерживает никакой критики. Исходя из изложенного использование топлива растительного происхождения не избавит от проблемы эмиссии диоксида углерода в атмосферу.

ДВС имеет большое количество различных режимов работы, для которых требуются различный состав топливной смеси и различные режимы принудительного воспламенения и т. п. Наиболее простым способом

одновременной экономии топлива и снижения токсичности выхлопных газов является использование на всех режимах работы ДВС максимально обедненных топливных смесей. Работа двигателя на обедненных смесях в общем и целом остается удовлетворительной, так как это происходит в результате снижения мощности двигателя (поскольку обедненная смесь горит очень медленно, а в предельных случаях вообще перестает воспламеняться от электрической искры), ухудшения запуска холодного двигателя и увеличения эмиссии оксидов азота (поскольку в обедненной смеси содержится избыточное количество кислорода, который в момент вспышки способен окислять находящийся в воздухе азот). Кроме того, на сверхобедненной смеси перестает работать каталитический нейтрализатор, так как в принцип его работы заложена группа химических реакций, описываемых обшей схемой:

C_nH_m+CO+NO_xCO₂+H₂O+N₂.

согласно которой наиболее полное сгорание топлива не способствует восстановлению азота из его оксидов.

Токсичность выхлопных газов чаше всего зависит от режима горения топлива при работе ДВС и практически не зависит от самого топлива, конечно же, в случае, если в ДВС используется топливо, для которого он был разработан. Все режимы горения топлива можно условно разделить на нормальные и аномальные. При нормальном режиме горения топливная смесь сгорает без значительной эмиссии C_nH_m и NO_x и без возникновения детонации. K аномальным режимам горения относят работу на топливовоздушной смеси неоптимального состава, при неоптимальном моменте принудительного воспламенения, возникновении детонации при работе ДВС и многие другие.

Единственным на сегодня неоспоримым фактом, свидетельствующим в пользу использования биотоплива, является отсутствие в нем серы, поскольку растительные организмы ее практически не усваивают.

Таким образом, при сравнении экологических свойств выяснено, что топлива биологического происхождения в абсолютном большинстве не имеют значительных преимуществ перед топливами нефтяного происхождения.

1. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимые концентрации и ориентировочно безопасные уровни воздействия вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. — М.: ВНИРО, 1999. — 120 с.

2. ГН 2.1.5.1315—03. Предельно допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Утв. Славным государственным санитарным врачом РФ 27 апреля 2003 г. Зарегистрировано и Минюсте РФ 19 мая 2003 г. Регистрационный N 4550.

3. ГН 2.1.6 1338—03. Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. — Утв. Главным Государственным санитарным врачом РФ 31 мая 2003 г. Зарегистрировано в Минюсте РФ 11 июня 2003 г Регистрационный N 4679.

4. ГН 2.1.6.1339-03. Ориентировочные безопасные уровни воздействия загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. — Утв. Главным Государственным санитарным врачом РФ 21 мая 2003 г. Зарегистрировано в Минюсте РФ 9 нюня 2003 г. Регистрационный N 4663.

5. ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны. — Утв. Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации 27 апреля 2003 г. Зарегистрировано в Минюсте РФ 19 мая 2003 г. Регистрационный N 4568.