5944

Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля

Реферат

Производство и промышленные технологии

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день, являются основными потребителями топлив нефтяного происхождения. По причине постоянного увеличения численности ДВС и снижения количества вновь открываемых месторождений нефти обостр...

Русский

2012-12-25

39.56 KB

79 чел.

Введение

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), на сегодняшний день, являются основными потребителями топлив нефтяного происхождения. По причине постоянного увеличения численности ДВС и снижения количества вновь открываемых месторождений нефти обостряется проблема энергетического кризиса. Кроме того, продукты сгорания ДВС усугубляют экологическую ситуацию. Исходя из этого, актуальной является задача поиска и реализации методов получения и использования топлив, альтернативных нефтяному,  с целью решения энергетической и экологической проблем. Одним из перспективных направлений в решении этих задач является применение топлив на основе растительных масел. Для стран с умеренным климатом, исходя из возможности выращивания, урожайности, содержания масла в семенах, возможным, и, в тоже время, наиболее рентабельным признано производство топлива на основе рапсового масла.

Для России исследования в этой области являются также актуальными, несмотря на наличие собственных месторождений нефти. Актуальность данных исследований обусловлена следующим: во-первых, исчерпаемостью нефтяных запасов, во-вторых, заинтересованностью сельских хозяйств и сельскохозяйственных регионов в вопросах снижения энергетической зависимости от поставщиков нефтепродуктов, в-третьих, параллельно с решением энергетической и экологической задач решается задача занятости населения, через организацию дополнительных рабочих мест в процессе производства топлива из рапсового масла и в-четвертых, чистое рапсовое масло имеет существенно меньшую себестоимость по сравнению с традиционным нефтяным топливом.

ПОЧЕМУ РАПС?

Истощение мировых запасов нефти и повышение цен на традиционные моторные топлива вынуждают двигателестроителей искать им замену. К этому же подталкивает и постоянно ужесточающиеся требования к токсичности отработавших газов двигателей. В итоге все чаще стали применять так называемые альтернативные топлива — сжатый и сжиженный газы; топлива, получаемые из природного газа, угля и, что самое главное, из возобновляемых источников энергии. Не случайно ЕЭК ООН уже приняла резолюцию о переводе к 2020 г. 23 % европейского автотранспорта именно на альтернативные топлива, в том числе 10 % — на природный газ, 8 — на биогаз и 5 % — на водород.

Но на более далекую перспективу самыми интересными будут, по всей видимости, именно топлива из возобновляемых ресурсов. И прежде всего — из биомассы (древесина, продукты сельскохозяйственного производства и др.), которой в мире ежегодно образуется 170-200 млрд. т, что энергетически эквивалентно 70—80 млрд. т нефти. При этом и теоретически, и экспериментально доказано: наиболее перспективны растительные масла — подсолнечное, хлопковое, соевое, льняное, пальмовое, арахисовое, сурепное и др. Их можно использовать в исходном виде или после химической обработки (облагораживания), а также в смеси с нефтяными топливами или спиртами. Причем наиболее интересны не сами масла, а их метиловые эфиры, получаемые как из отходов производства пищевых продуктов, так и непосредственно из растительных масел. Именно поэтому в Европе (Англия, Германия, Польша, Франция, Швеция) и в Азии (Китай, Индия, Индонезия) уже начали применять на АТС топлива из растительных масел и продуктов их химической переработки — метиловые эфир и спирт. Более того, в перечисленных странах приняты законодательные акты о производстве смесей из дизельного топлива и таких продуктов.

Достоинства и недостатки  [4] (табл. 1, в которой знаком "+" обозначено наличие преимуществ по сравнению со штатным дизельным топливом,


Топливо

Возбновляемость ресурсов

Экологичность

Адаптированность

Парниковый эффект

При производстве

При сгорании

К транспорти-

ровке и хранению

АЗС

Дизелям

Дизельное

-

-

+/-

+

+

+

-

Сжатый природный газ

-

+

+

-

-

-

-

Сжиженный нефтяной газ

-

+

+

-

-

-

-

Диметиловый эфир

-

-

+

-

-

-

Метанол

-

+

+

+

-

-

Рапсовое масло

+

+

+

+

+

+/-

+

Метилэфир рапсового масла

+

+/-

+

+

+

+

+

Таблица1. Достоинства и недостатки видов топлива


знаком "-" - их отсутствие, а "+"/"-" - сочетание и того, и другого) альтернативных топлив, а также особенности их применения в дизелях обусловлены их составом, физико-химическими свойствами и возможностью получения из возобновляемого сырья.

Как из нее видно, самыми перспективными действительно следует считать топлива, получаемые из растительных масел и в первую очередь — из масла рапсового. В том числе и потому, что, во-первых, высокая урожайность рапса дает возможность с 1 га его посевов иметь 1000-15000 л биотоплива; во-вторых, делает сырьевую базу практически неисчерпаемой.

Рапсовое масло представляет собой смесь моно-, ди- и триацилглицеринов, которые содержат в своем составе молекулы различных жирных кислот, т. е. высокомолекулярных кислородсодержащих соединений с углеводородным основанием, связанных с молекулой глицерина.

Главное достоинство топлив, получаемых из рапсового масла, — практически полная биоразлагаемость[2]. Содержащиеся в них 10—12 % масс, кислорода позволяют заметно уменьшить выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как углеводород и сажа, а также оксидов азота — из-за снижения температур сгорания. Кроме того, рапсовое масло в действительности не содержит соединении серы; в нем нет и полициклических ароматических углеводородов — канцерогенов, обычно содержащихся в отработавших газах дизелей.

НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Перспективным считается, как и в случае других масел, не само рапсовое масло, а получаемый из него метиловый эфир: в ряде стран Европы его уже используют в качестве самостоятельного топлива или добавки к дизельному топливу нефтяного происхождения. Например, в Германии действуют более 90 заводов по производству рапсового масла, а топливо "биодизель" (соотношение 43:8) на базе метилового эфира рапсового масла выпускают восемь предприятий.

Данный эфир представляет собой смесь метиловых эфиров жирных кислот. Получают его путем прямой переэтерификации ацилглицеринов рапсового масла с метиловым спиртом при температуре 353—363 К (80—90 °С) в присутствии едкого калия. По своим физико-химическим свойствам он близок к стандартным дизельным топливам, т. е. от самого масла отличается меньшими плотностью, вязкостью и температурой воспламенения, более высоким цетановым числом, поэтому может, что очень важно, подаваться в цилиндры двигателя штатной топливоподающей аппаратурой. Главное же, при работе на ней дизель становится экологически чище.

Фирма "Фольксваген"[4] провела исследования серийного четырехцилиндрового вихрекамерного безнаддувного дизеля размерностью S/D — 8,64/7,65 и мощностью 40 кВт (54 л. с.), в ходе которых он сначала работал на дизельном топливе (характеристики: пределы выкипания — 449—621 К, или 176—348 °С, плотность — 821 кг/м3, цетановое число — 52), а затем на метиловом эфире с температурами выкипания 575—629 К (302—386 °С). Установлено: при работе на стенде по тесту ЕСЕ и переводе с дизельного топлива на эфир рапсового масла выбросы монооксида углерода снижаются с 4,5 до 3,57 г/тест, углеводородов — с 0,82 до 0,37 г/тест, а оксидов азота, наоборот, возрастают с 2,56 до 3,01 г/тест. Снижается и дымность отработавших газов. Например, на режимах полной нагрузки — на 2 ед. по шкале "Бош" во всем диапазоне скоростных режимов работы, на частичных — на 0,5—1 ед. Уменьшается также эмиссия канцерогенов ароматических углеводородов. Например, на режимах принятого в США цикла FTP 75 она в 2 раза меньше.

Правда, при всех циклах расход метилэфира оказывается несколько (на -12 %) больше расхода дизельного топлива. Это связано с меньшей, чем у последнего (37,8 против 42,5 МДж/кг), теплотворной способностью. При работе на метилэфире увеличивается и эмиссия альдегидов. Но в целом дизель, работающий на таком топливе, отличается более низкой суммарной токсичностью отработавших газов.

К сожалению, метилэфир рапсового масла — химически активная (агрессивная) жидкость [5]. Поэтому при его использовании в качестве добавок к дизельному топливу баки, трубопроводы и другие элементы конструкции топливной системы, контактирующие с ним, должны иметь защитное покрытие. Кроме того, его производство нельзя отнести к числу экологически чистых. Наконец, он дороже дизельного топлива. Поэтому рапсовое масло, казалось бы, все таки предпочтительнее. Однако при работе дизеля на нем тоже возникает ряд проблем. В частности, многие специалисты отмечают, что через 100—200 ч работы дизеля на нем наблюдаются повышенные количество углеродистых отложений на поверхности камеры сгорания и закоксовывание сопловых отверстий распылителей форсунок. Что вполне правомерно: в данном масле много смолистых веществ, поэтому его коксуемость (0,4 %) выше коксуемости дизельного топлива (0,2 %). Тем не менее, если учесть, что ГОСТ 305—82 ограничивает последнюю величиной 0,3 %, то совершенно очевидно: подобрать смеси дизельного топлива и рапсового масла, удовлетворяющие требованиям ГОСТа, особого труда не представляет.

Еще одна проблема, возникающая при работе дизеля на рапсовом масле, — повышенная вязкость последнего: при нормальной (293 К, или 20 °С) температуре она на порядок выше, чем у стандартного дизельного топлива (соответственно 75 и 3,8 мм2/с). Однако при повышении температуры эта разница уменьшается. Например, при 313 К (40 °С) вязкость рапсового масла — 36 мм2/с, т. е. уменьшается вдвое, а при 343 К (70 °С) — до 17,5 мм2/с, или еще более чем вдвое. Но главное в том, что существенно меньшей вязкостью обладают смеси рапсового масла с дизельным топливом. Так, вязкость смеси, содержащей (по объему) 80 % дизельного топлива и 20 % рапсового масла, при температуре 292 К (20 °С) составляет 9 мм2/с, а при 313 К (40 °С), характерной для условий систем топливоподачи дизелей, — 5 мм2/с. Иначе говоря, становится соизмеримой с вязкостью чистого дизельного топлива (норматив: 3—6 мм2/с).

Таким образом, поскольку рапсовое масло по своим физико-химическим свойствам отличается от стандартного дизельного топлива, его целесообразно применять в смеси с последним. Тем более, что эти компоненты хорошо смешиваются, а смеси имеют свойства, позволяющие сжигать их в дизеле без внесения изменений в его конструкцию.

Российские ученые провели собственное испытание дизеля Д-245.12С (4 ЧН 11/12,5), выпускаемого Минским моторным заводом, в двух вариантах его комплектации.

Первый из вариантов был оснащен турбокомпрессором ТКР-6 Борисовского завода автоагрегатов, ТНВД мод. PP4M10Ulf (диаметр и ход плунжеров — 10 мм) чешской фирмы "Моторпал", форсунками ОАО "Куроаппаратура" (г. Вильнюс), отрегулированными на давление начала впрыскивания 21,5 МПа (215 кгс/см2) и имеющими распылитель DOP 119S534 фирмы "Моторпал" с пятью распыливающими отверстиями диаметром 0,34 мм и суммарной эффективной площадью распылителя в сборе, равной 0,250 мм2. Результаты исследований его по 13-ступенчатому испытательному циклу показали: при работе дизеля на смеси "80 % дизельного топлива + 20 % рапсового масла" экологические показатели заметно улучшаются: выброс легких углеводородов снижается с 1,519 до 0,965 г/( кВт • ч), т. е. на 36,5 %; оксидов азота — с 7,442 до 7,159 г/(кВт • ч), или на 3,8 %. Однако выброс монооксида углерода, напротив, возрастает на 9,5 % — с З,482 до З,814 г/( кВт • ч).

Последнее обусловлено некоторым (на 6—10 %) увеличением часового расхода топлива и соответствующим повышением мощности дизеля. В частности, при переводе двигателя на смесевое биотопливо на режиме максимального крутящего момента (п = 1500 мин-1) мощность выросла с 53,6 до 57,1 кВт (с 72,8 до 77,6 л. с.), а на режиме максимальной мощности (п = 2400 мин-1) — с 75,5 до 78,2 кВт (со 102,6 до 106,3 л. с.). Коэффициент α избытка воздуха остался при этом практически неизменным (соответственно 1,7 и 2,2 на указанных режимах), что объясняется меньшим количеством воздуха, необходимым для сгорания 1 кг топлива (14,3 кг/кг у дизельного топлива и 13,9 кг/кг у смеси).

Характерно, что переход с дизельного топлива на рассматриваемую смесь сказывается и на удельном эффективном расходе топлива: на режиме максимального крутящего момента он увеличивается с 225,8 до 231,8 г/(кВт•ч), или с 166,2 до 170,6 г/(л.с.•ч), а на режиме максимальной мощности — с 249,0 до 255,1 г/(кВт • ч), или с 183,3 до 187,8 г/(л.с. • ч). Причина — меньшая, чем у дизельного топлива, теплотворная способность смеси (соответственно 41,5 и 42,5 МДж/кг).

Эффективный КПД дизеля при таком переходе практически не изменился: на режиме максимального крутящего момента в обоих случаях он равен 37,5 %, а на режиме максимальной мощности — 34 %. Дымность отработавших газов на режиме максимального крутящего момента снизилась с 25 до 16 % по шкале Картриджа, а на режиме максимальной мощности — с 11 до 8 %. Наконец, после наработки 100 ч дизелем данной мощности коксования форсунок не отмечено.

Второй вариант оснащения дизеля Д-245.12С: топливная система производства Ногинского завода топливной аппаратуры, распылители мод. 171Р.10.03 Алтайского завода прецизионных изделий, имеющие 10 распыливающих отверстий диаметром 0,23 мм. Испытывали его на тракторе "Беларусь", причем в реальных условиях эксплуатации. Установлено: после 500 ч работы этого дизеля на смеси, содержащей 70 % дизельного топлива и 30 % рапсового масла, есть лишь частичное закоксовывание распылителей форсунок, которое практически не приводит к потере их работоспособности, хотя мощность двигателя снижает.

Таким образом, очевидно, что использование форсунок с меньшим числом распыливающих отверстий и, соответственно, большего их диаметра позволило значительно сократить или вообще избежать коксообразования. Причем для его полного устранения (и не только при работе на рапсовом масле) достаточно применять хорошо известные меры. Например, периодически работать на высокофорсированных режимах, периодически же подавать через распыливающие отверстия водотопливные эмульсии и т. п.

ПЕРСПЕКТИВЫ РАПСОВОГО МАСЛА ЗА РУБЕЖОМ И В РОССИИ

В настоящее время эфиры растительных масел используют как добавки к дизельному топливу. США и Бразилия в качестве биодобавок применяет соевое масло, в Европе 80% биодизеля производится из рапсового. В странах ЕС биодобавка к дизельному топливу составляет 2–5 % от объёма, к 2020 году планируется довести её до 20 %, тогда как США к 2020 г. планирует использовать до 40% биодобавок (вместе с биоэтанолом, т.е. спиртом, из кукурузы и пшеницы), и в дальнейшем полностью перейти на биотопливо. Такие же планы и у Китая. Для определения стратегии использования воспроизводимых биоресурсов на ближайшие 10–15 лет и оценки их экономического потенциала для промышленного производства при Европейской комиссии совместно с Департаментом сельского хозяйства США была создана программа «Эпобио» («Экономический потенциал биоресурсов») как часть программы по усовершенствованию аграрной политики. Она предусматривала анализ возможностей замены продуктов переработки нефти разными биоисточниками в качестве возобновляемых ресурсов. Критериями для оценки эффективности служили: конкурентоспособность получаемой продукции по сравнению с другими источниками и нефтью; возможность совершенствования механизации и технологий производства и переработки; конкурентноспособность побочных продуктов производства; потенциальное воздействие на существующие рынки; возможность культивирования в большом регионе и сохранение устойчивости производства при изменении климата. Следовало также оценить существующие риски: масло для непищевых производств не должно быть примесью пищевого; предложенные культуры должны подходить к существующей инфраструктуре переработки, чтобы минимизировать дополнительные инвестиции; обязателен потенциал для модификации композиции жирных кислот в масле и др. Конечным продуктом исследований по этой программе был представленный весной 2007 года доклад «Основные масличные культуры для промышленного использования», в котором рекомендованы в качестве перспективных масличных для промышленного производства всего три культуры: рапс, овёс и катран.

Каково же состояние и перспективы производства рапсового масла и биодизеля в России? В России в основном возделывается яровой рапс. Площади под ним то увеличивались, то сокращались, и занимали около 650 тыс. га, что составляет 0,10–0,27 % общей посевной площади в стране и 0,6–1,2 % посевов рапса в мире. При этом лишь 20–26 % от объемов маслосемян рапса перерабатывалось на местах — не было соответствующих мощностей. Существенная часть производимых семян (до 50 %) вывозилась из страны, в основном в Германию и Нидерланды, откуда обратно ввозилось рапсовое масло, составляя до 80% от общего объема импорта масел. Производят семена рапса 43 субъекта Российской Федерации, главным образом, Татарстан (37 %) и Ставропольский край (20 %). Значительно расширились его посевы в Сибири, особенно в Омской,Тюменской, Иркутской областях и на Алтае. Почвенно-климатические условия позволяют расширить площади под рапсом в России до 5 млн га.

В последние годы произошел перелом в отношении государства к отрасли рапсосеяния. В феврале 2008 г. МСХ РФ запретило вывоз семян рапса и поручило разработать программу по рапсу, согласно которой планировалось увеличить площади посева до 2 млн га и создать 20 предприятий по производству рапсового масла и биодизеля. Заводы предполагалось построить в основном в европейской части РФ: в Нижегородской, Липецкой, Пензенской, Ростовской областях, Краснодарском крае и в Татарстане. Согласно планам добавка эфиров рапсового масла в дизельное топливо для всех двигателей в стране должна будет составлять до 5 %. Урожайность предполагалась на уровне 14 ц/га. Под реализацию программы было выделено 2,5 млрд руб. Производителям обещали компенсировать треть затрат на закупку семян рапса и средств защиты его от вредителей и болезней. Но масса проблем при этом осталась за пределами планов: в стране нет специализированной техники для выращивания рапса, нет ёмкостей для хранения семян, высока стоимость железнодорожных перевозок, нет специальных ёмкостей и заправочных терминалов для биодизеля.

В Сибири наиболее успешно ведутся работы по производству рапса и его переработке в Омской обл. С 2007 г. там работает завод по выпуску рапсового масла производительностью 25 тыс.т/год. В Таврическом районе строится ещё один завод мощностью 120 тыс.т/год. Однако инвестор этих работ -— группа компаний «Прод-экс», само название которой говорит об ориентации масла на экспорт. Посевы рапса в области занимают примерно 20 тыс. га. Себестоимость производства при урожае 15 ц/га — 3 тыс. руб., а закупочная цена — 8 тыс. руб. Более высокая эффективность производства рапса в сравнении с зерновыми создает заинтересованность хозяйств в расширении его посевов, и в планах предполагается их увеличение до 80 тыс. га. В Алтайском крае в одном хозяйстве сельхозтехника работает на биодизеле в смеси 50/50. Себестоимость рапсового масла составляет 6,7 руб./л, а дизельного топлива — 18 руб./л. Но площади посевов в крае не превышают 10 тыс.га.

В Новосибирской области в 2008 г. посевы рапса занимали 13,3 тыс. га, но год был неурожайным, и в 2009-м площади сократили и до 6,7 тыс. га. Производство рапса рентабельно уже при урожае 6 ц/га. Это обычный урожай в наших сибирских хозяйствах — 6–8 ц/га, тогда как в тех же условиях приглашенные канадские фермеры в Казахстане получают 15–20 ц/га. Проблема низкой урожайности рапса у нас заключается в технологии возделывания, отсутствии специализированной техники. И всё же, несмотря на некоторые проблемы, рост производства рапса в каждом регионе России остаётся одной из важнейших задач, решение которой позволит осуществить устойчивое снабжение населения растительным маслом, кормопроизводства — высокобелковыми добавками, и изменить структуру посевных площадей.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вырубов Д.Н.  Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по спец. “Двигатели внутреннего сгорания” / Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

2.Ефанов А.А.Улучшение экологических характеристик дизеля регулированием состава смесевого биотоплива: автореф.дис….к.т.н.: 05.04.02.:защищена 12.02.2008/ Ефанов Алексей Александрович.-М.-2008.

3.Иващенко Н.А., Марков В.А., Ефанов А.А. Работа дизеля с разделенной камерой сгорания на рапсовом масле // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 2007. - № 3.

4. Марков В.А., Гайворонский А.И. Рапсовое масло как альтернативное топливо для дизеля //Автомобильная промышленность.-2006. -№2.

5.Тютюнников Б.Н.  Химия жиров / Б.Н.Тютюнников, З.И.Бухштаб, Ф.Ф.Гладкий и др. - М.: 3-е изд., перераб. и доп. - Колос, 1992. - 448 с.

6.Шашев А.В. Основные рабочие показатели дизельных двигателей при работе на биотопливе - РМЕ. Параметры мощности и экономичности. /С.В.Лебедев, A. Вацекаукас, Г. Лебедева, С.П Кулманаков// сборник научных трудов по материалам 10-й международной конференции «Транспорт». – Каунас, Литва, 2006. с.

7. Шашев А.В. Совершенствование рабочего процесса дизеля с объемно-пленочным смесеобразованием при использовании в качестве топлива рапсового масла: автореф.дис….к.т.н.: 05.04.02.:защищена 2.07.2008/

Шашев Александр Валентинович.-Барнаул.-2008.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

85165. Создание Речи Посполитой и статус ВКЛ в ее составе 29.87 KB
  Начались военные действ между Московским госвом и ВКЛ. Силы ВКЛ находились на грани возможного война опустошала казну. ВКЛ имело опыт совместного с ней существования десятки уний и договоров.
85166. Внешняя политика Речи Посполитой. Войны и социальные конфликты второй половины XVII - первой половины XVIII веков 31.49 KB
  Тридцатилетняя война 16181648 В 1618г. началась война в которой приняли участие десятки государств. РП не смогла помешать объединению Бранденбурга и Пруссии и неудачно закончилась война со Швецией что явилось одной из крупных неудач в её внешней политике. Казацкокрестьянская война 16481651 Богдан Хмельницкий хотел создать независимую Украину и поднял восстание в 1648 г.
85167. Социально-экономическое развитие белорусских земель в составе Речи Посполитой 30.48 KB
  В экономике белорусских земель шло укрепление и развитие феодальных отношений. Экономическому прогрессу белорусских земель во вп 16пп 17 вв. увеличилось до 36 млн чел росли посевные площади поголовье скота увеличился средний земельный надел крестьян.