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 185^о 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 30-38^оC. 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

Захарна тръстика

Дърва

Фиг. 1

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

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)
  

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 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.

3. 
   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.
   

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.

4. 
   Най-често, и то твърде отдавна, използването на алкохолите става като високооктанова добавка – метил третичен бутилов етер (МТБЕ) или етил третичен бутилов етер (ЕТБЕ).
   

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.