Използване на алкохоли за работа на двг



Дата09.06.2017
Размер111.48 Kb.

ГОДИШНИК НА ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ – ВАРНА, 2007 г.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА АЛКОХОЛИ ЗА РАБОТА НА ДВГ

Евгени Иванов Петков*, Иван Валентинов Христов*

*Технически университет – Варна, ул. „Студентска” №1

Нарастващото използване на горива получавани от преработката на нефта оказва влияние и на неговият качествен състав. Това означава, че находищата с по-леки фракции намаляват и добиването на горива за ДВГ става все по трудно. От своя страна пред нефтохимичната промишленост се поставят за решаване все по-тежки проблеми, за да се произведат тези горива. При такова стечение на нещата в крайна сметка цените на горивата нарастват и кризата се задълбочава. Отново погледите са насочени към алтернативните горива (природен газ, метилов и етилов спирт, растителни масла, водород, и др.). Използването на алтернативните горива се налага и от все по-сериозните норми за опазване на околната среда.

В днешно време голямо внимание се отделя на биогоривата и възможностите за тяхното използване за работа на ДВГ. Основните горива за целта са: биометанолът, биоетанолът и растителните масла и съответно преработените от тях горива за дизелови ДВГ- биодизелът. Към биогоривата може да се причисли и метанът получен от разлагането наа биопродукти. Метанолът може да се получи от природен газ, газове от нефтопреработването, леки и остатъчни нефтени фракции, кокс, въглища и др. За пръв път промишленото производство на метанол започва чрез суха дестилация на дървесина (през 1830год.). Сега 73% от метанола се произвежда от природен газ. Процесът на получаване включва два етапа – получаване на синтез газ и преработка до краен продукт. В зависимост от вида на изходната суровина синтез газът се полчава чрез парово преобразуване на природния газ и леките нефтени фракции или чрез парокислородно газифициране ( частично кисляване) на тежки нефтени фракции, дървесина, кокс или въглища. Освен това получаването на метанол и етанол може да стане и от биомаси, в тези случаи става дума за биогорива (биометанол, биоетанол). Основно от преработката на биомаси се получава биоетанол, биодизел и метан. Биоетанолът е етилов алкохол получен от растения съдържащи захароза ( захарно цвекло, захарна тръстика и др.) или скорбяла ( пшеница, царевица, картофи и др.). Биодизелът се получава чрез естерифициране на растителни масла (слънчогледово, рапично, соево, фъстъчено, палмово и др.). Важно предимство на биогоривата е, че при тяхното отглеждане се разгражда такова количество CO2, колкото се отделя при изгарянето им, а освен това те са и възстановяеми горива. Това означава, че цикълът на CO2 e затворен.

Превръщането на биомасите в горива за работата на ДВГ се осъществява чрез термохимични или биохимични процеси. При преработка на биомасите представлява интерес процесът на газифициране и получаване на синтез газ, от който се добива крайния продукт – метанол или въглеводороди. При ферментацията на биомасите се получава етанол. Ферментацията на биомасите е известна древна технология за получаване на алкохоли. Тя се основава на способността на микроорганизмите ( на дрождите) да разграждат захарта в отсъствие на кислород до етанол и въглероден двуокис:

(1) C6H12O6 → 2C2H5OH+2CO2

Простите захари от вида на захарози (глюкози и фруктози) непосредствено ферментират до етанол. Те се съдържат най-много в захарното цвекло и в зхарната тръстика. В някои селскостопански култури ( царевица, картофи, пшеница, ечемик и други зърнен култури) има много скорбяла (нишесте) представляваща олигомер на глюкозата. Олигомерите и полимерите на захарите преди ферментацията се превръщат в монозахариди по пътя на хидролизата:

(2) [C6H10O5]n -+ nH2O→nC6H12O6

Скорбялата и хемицелулозата хидролизират в сравнително меки условия с използване на силно разредена киселина, като за разлагане на целулозата трябва по-концентрирана киселина и повишена температура (до 185о C). Продължителността на реакцията е 2-3 часа.

За получаването на монозахариди може да се използват и по ефективни процеси на ферментационна хидролиза с използване на специални микроорганизми ( но това все още не е промишлен процес).

Технологията на дрождовата ферментация на захарта е достатъчно проста но изисква от 4 до 10 седмици. Скоростта на увеличаване на микроорганизмите зависи от температурата на средата, която температурата не трябва да бъде по висока от 30-38оC. Трябва да се отбележи, че при този процес обемът на отпадъка е 10-15 пъти повече от алкохола и оказва вредно влияние на околнаа среда.

През 2003 година световното произвдство на биоетанол е 39,04 млрд литра, от които 620 млн. литра са произведени в Европейската общност. Най-голям роизводител в Европа е Испания. За 2006 година там са произведени 4 млн. Хектолитра. Основно се изнася за САЩ и Швейцария. Само 1% се използва в Испания. Според Европейските директиви за 2010 година се предвижда дялът на биоетанола в горивния баланс да достигне 5,75% за страните от общността.

В Германия за 2006 г. са произведени 620 000 m3 биоетанол. Изнасят се за Франция и Белгия. Изграждат се станции за E85 (което представлява смес от 85% биоетанол и 25% бензин).

Франция е един от най-големите световни производители на биоетанол. Основен източник за получаването му там е захарното цвекло и зърнените култури. Предвижда се за 2010 година съдържането на биоетанол в бензините да е 7%. Изгражда се и верига от станции за продажба на E85.

В Норвегия се предвижда за 2007г. продажбата на 80 млн. литра биоетанол, което е 2% дял от бензините. През 2010 година се предвижда този дял да бъде 4%.

В Швеция дялът на биоетанола е 5%, който се продава като E5 и E85(произвеждат биоетанол от дървесни отпадъци); Дания отделя 13,4 млн. Евро за „зелени” биогорива (от биомаси).

Основни производители на биоетанол в света са Бразилия и САЩ. В Бразилия за 2005 година са произведени 160,6 млн. хектолитра от които се изнасят 26 млн. хектолитра. От средата на 80-те години 96% от автмобилите използват етанол, а от 2005 г. – 75% са автомобили flex fuel(двигателите им са конструирани да използват Е85 , което е 85% етанол и 15% бензин А95Н) биоетанолът е 40 % от произведените леки горива . Задължително в бензина се добавят 25% биоетанол. Основно производството на биоетанола е от захарна тръстика.

САЩ е вторият световен производител на биоетанол. За 2001г. производството е 6,21 млн. m3, за 2003 г.- 10,2 млн m3. За 2006 г. се преработва 10% от добитата царевица в биоетанол( което прави 199,7 млн. хектолитра). Всяка година след 2001 г. производството на биоетанол се увеличава с 20%. За 2010 г. се предвижда достигане на количества от 300 млн. хектолитра. В момента 95 завода произвежда Е85, има над 1000 бензиностанции, които продават Е85. Държавата дава безвъзмедна помощ от 30 000 долара за построяване на станция за продажба на Е85, както и за други възобновяем биоенергийни горива.

В Канада се предвижда за 2010 година използването на 10,4 млн. Литра биоетанол за година, като източник за получаването е царевица и пшеница. Продаваният биоетанол е 7% от общата продажба на горива. Продава се като Е10.

Процесите за получаване на биогорива са посочени на Фиг. 1


Алкохоли




Захарно цвекло

Захарна тръстика



Царевица, Пшеница, Картофи и др.

Треви

Дърва


Биомаса

Предварителна обработка

Екстракция

Хидролиза

Газификация


Фиг. 1
Произвежданите количества биоетанол в света от 2000-2006 година са посочени на фиг.2

Фиг.2
Производството на биоетанол през последните три години е посочено в таблица 1 в Mhl.



Таблица 1

Държава

2004

2005

2006

САЩ

143164

162139

199730

Бразилия

146630

160670

165000

Китай

36500

38000

38500

Индия

16500

17000

19000

Русия

7800

7200

6500

Канада

2300

2550

5800
За някой държави в Европа, производството на биоетанол Mhl за последните години е посочено в таблица 2



Държава

2004

2005

2006

Франция

8300

9100

9500

Германия

3444

3797

4635

Испания

2300

3500

7500

Англия

2850

2900

2800

Италия

1500

1500

1625

Швеция

1050

1100

2800

Австрия

72

70

100

Таблица 2

Общото впечатление от посочените данни е, че производството на биоетанол в света се увеличава, като дялът на използването му като гориво за ДВГ в общия горивен баланс се увеличава. Това се налагало следните причини:


  • Намаляване зависимостта от петролните продукти ( в това число и политическата зависимост от страните производителки на петрол);

  • Подобряване на баланса за страните вноситеки на петрол;

  • Благоприятно развитие на социалната политика в държавите произвеждащи биогорива (създаване на стабилна работа вселскостопанските райони и други);

  • Намаляване замърсяването на околната среда от вредното въздействие на отработилите газове на ДВГ;

  • Намаляване на транспортните разходи;

  • Използването на биогоривата не създава допълнителен парников ефект (почти затворен цикъл за CO2)

Използването на биоетанола като гориво за ДВГ може да стане по следните начини:

    1. Използване в чист вид (100% биоетанол). Такава практика съществува в Бразилия и Швеция. Това става при двигатели специално подготвени за целта имайки предвид особеностите на алкохолите. Фирмата Скания е преобразувала за целта над 400 дизелови двигателя за автобуси за работа само с етанол. На двигателя се монтира запалителна система, а към горивото се добавят някои подобрители.

    2. Използването на смеси от алкохоли и бензин. В това отношение съществуват много варианти. В повечето държави, в които е регламентирано използването на алкохоли към бензините се добавя от 3-5% биоетанол, което не променя характеристиките на бензина и това не се индикира специално. При определени условия могат да се използват смеси до 15% съдържание на алкохол,което обаче оказва влияние( макар и малко) на показателите на ДВГ.

В Бразилия във всички видове бензин се добавя 24% алкохол , но се вземат мерки относно устойчивостта на елементите на горивната система по отношение агресивното действие на алкохолите. Фирмите Toyota, Citroen и Renault произвеждат автомобили и дават гаранции при използване на горива с добавка на етанол от 5-15%, като двигателите не са модифицирани. Трябва да се отбележи, че при работа с повишено съдържание на алкохол (над 5%) да се използват масла за двигателите, които да имат подобрени характеристики.

В последните години фирмата Ford пусна на пазара автомобили „flexible fuel vehicles” (FFVs), които могат да работят с етанол до 85% (останалите 15% е бензин). Тези автомобили се аксплоатират в САЩ, Бразилия, Швеция, Франция, Англия и други, където има изградени и зарядни станции за това гориво. В САЩ държавата стимулира използването на биогорива като дава помощи от 30 000 долара за изграждане на такива станции. В Швеция автомобилите FFVs се продават с 1000 CHF по-евтино отколкото бензиновия вариант.

Сериозен проблем при използването на алкохолите е увеличеното налягане на наситените пари (увеличена изгаряемост) при смесването им с бензин. Вследствие на това се увеличава количеството изпарено гориво и има възможност за образуване на парни обеми в горивните тръбопроводи. Поради тази причина в стандартите за биогорива се поставят изисквания относно налягането на наситените пари. За да се ограничи изпаряването може да се използват базови бензини с по-малка изпаряемост, което ще намали налягането на наситените пари.


    1. Използване на алкохолите в смеси с дизелово гориво. Това е вариант, при който може да се използва в малки пропорции добавка на алкохоли без да се налага модифициране на ДВГ: В момента в Бразилия се използва добавка от 3% етано към дизеловите горива. Нормалното прилагане на сместта зависи от качествата на дизеловото гориво.

В Швеция и Дания се използват смеси от 10-15% етанол но с използване на комплекс от добавки с цел избягване раслояването на компонентите на сместа, като не се предвижда изменения в двигателите. Това е още във фаза на изследване и още не може да се препоръча като масова практика.

Важно е да се отбележи, че използването на алкохолите при дизеловите двигатели увеличава периода на задържане на възпламеняването, поради ниското цетаново число (ЦЧ) и по- голямата топлина на изпаряване. За подобряване на ЦЧ се използват органични нитрати, нитрити и пероксиди. Например за получаване на ЦЧ =52-53 към етанола се прибяват 4% триетиленгликолдинитрат или 25% изопропилнитрат. Необходимо е да се изпозват и стабилизатори на сместта от алкохол и дизелово гориво. Понякога за да се избегне разслояването се използва разделното им подаване. Ако към тази смес се добави и вода се постига съществено намаляване на димността на отработилите газове (ОГ).

По принцип трябва да се отбележи, че намалената токсичност на ОГ на ДВГ при използване на алкохоли се обяснява с дисоциацията на алкохолите в условията на високите температури в цилиндъра на ДВГ и образуване на активни радикали CH3 и OH активиращи горивните реакции.


    1. Най-често, и то твърде отдавна, използването на алкохолите става като високооктанова добавка – метил третичен бутилов етер (МТБЕ) или етил третичен бутилов етер (ЕТБЕ).

МТБЕ се получава от взаимодействието на изобутилен и метанол. Той има 3-4 пъти по-добри антидетонационни качества от алкилбензина. Формулата на МТБЕ е CH3OC4H9, плътността му е 0,746 г/см3; температурата на кипене е 55оС; топлината на изгаряне 34,6 MJ/kg; октаново число по изследователския метод 117.

Най – ефективно МТБЕ действа при бензини от пряка дестилация и каталитичен риформинг с обикновен режим, който има високо съдържание на парафинови нефтенови въглеводороди. Добавянето на 10% МТБЕ ОЧИ с 2,1-5,9 единици, а 20% - съответно с 4,6-12,6 единици. Той е по-ефективен от алкилбензина и метанола. Използването на МТБЕ води до намаляване мощността на двигателя, но в същото време понижава съдържанието на СО с 15-30% на СН със 7-8%.

ЕТБЕ се получава от взаимодействието на етанол и изобутилен, съдържанието на етанол е 47% по маса. Има високо октаново число, ниско налягане на наситените пари, не се разслоява от бензина при наличие на вода. Практическото използване на ЕТБЕ е започнало във Франция и се добава до 15%. Тази добавка се използва и в Испания, Холандия и Италия. Има данни, че поради вредното действие на етерите в САЩ тази добавка ще се забрани официално.

5. Напоследък съществува и още един вариант на използване на биоетанола, като се смесва с биодизеловото гориво, а сместа се нарича естерол. Тази смес естествено се използва при дизелови двигатели, началото е поставено в САЩ. Тази смес има предимствата на биоетанола и биодизела: по-ниско съдържание на токсични компоненти в ОГ ( в това число и на серните съединения), по-добра енергийна плътност от алкохолите, конкурентна цена и не изисква изменения на двигателите. Освен това трябва да се отбележи, че това затваря цикъла на СО2. Например при отглеждането на захарно цвекло от 1 хектар и полученият биоетанол се намалява годишната емисия на токсичните компоненти. От 1 хектар площ засята със захарно цвекло се получава приблизително 8000 литра биоетанол.







База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница