Автомобильные присадки и добавки

Биотопливные присадки

Во всех промышленно развитых и в большинстве развивающихся стран ведутся интенсивные научно — исследовательские и практические работы по производству и применению альтернативных (лат. alter — другой, один из двух) видов топлива, таких как биогаз, спирты, синтетическое топливо, водород, генераторный газ и др., позволяющие снизить выбросы в атмосферу токсичных веществ.

В связи с тем, что биотопливо является возобновляемым источником энергии, побочные продукты производства (глицерин) также находят промышленное производство. При этом биотопливо не обязательно будет дешевле обыкновенного топлива, полученного из нефти или нефтепродуктов, а чаще всего, наоборот.

Альтернативные виды топлива по сравнению с обычными нефтяными имеют как свои преимущества, так и недостатки. Именно из‑за последних в настоящее время сдерживается широкое использование данных видов топлива.

Наиболее распространенным видом биотоплива является биоэтанол (этиловый спирт), получаемый путем перегонки любой субстанции, содержащей крахмал (картофель), сахар (сахарная свекла или тростник) или целлюлозу (древесина, щепа, солома, хлопковая шелуха и т. п.). Чаще всего для перегонки используют зерновые культуры: рис, кукурузу, пшеницу, рожь, а также рапс (рис. 36).

Рис. 36. Схема получения биоэтанола из рапсового масла

Получение этанола осуществляется микробиологическим (спиртовым брожением, под действием дрожжей, ферментов или бактерий) либо синтетическим (гидратизацией этилена, полученного при добыче нефти в присутствии катализатора) методом (рис. 37).

Рис. 37. Химическая формула получения биоэтанола из рапсового масла

В мире около 85 % спирта применяется в технических целях, в том числе 80 % в качестве биотоплива, которое по своим свойствам практически не уступает бензину (табл. 27). При этом мировой рынок топливного биоэтанола ежегодно вырастает на 20…25 % и, по прогнозам экспертов, производство и потребление этанола к 2020 году достигнет на планете 120 млрд литров в год.

Табл. 28. Параметры биоэтанола в сравнении с бензином

Биоэтанол в большинстве случаев является своего рода присадкой к бензину. При этом смеси этанола и бензина маркируются букой Е (ethanol) и числом, указывающим на его долю в топливе. Наиболее распространены марки Е5, Е7 и Е10. Для использования таких марок топлива внесение изменений в конструкцию бензинного двигателя не требуется, а вот марки Е85, Е95 и Е96 с содержанием этанола соответственно 85, 95 и 96 % — требуют специальной модификации системы питания и зажигания автомобиля. Применение этанола позволяет не только уменьшить нефтяную зависимость государства и выбросы углекислого газа с выхлопом, но и повысить детонационную стойкость (октановое число) применяемого бензина, а также снизить содержание токсичных ароматических углеводородов (табл. 28).

Табл. 29. Физико-химические свойства автомобильного бензина с добавкой биоэтанола

В настоящее время в Российской Федерации действует следующая нормативно — техническая документация на автомобильные бензины с добавками этанола:

1. Технические условия ТУ 38.401–58–244—99 «Бензины автомобильные неэтилированные, содержащие этанол». Разрешение на производство таких бензинов выдано ОАО «Лукойл — Волгограднефтепереработка», ОАО «Новокуйбышевский НПЗ» и некоторым другим нефтебазам;

2. Государственный стандарт ГОСТ Р 51866—2002 (аналог европейской нормали ЕН-228), предусматривающий возможность применения до 5 % этанола;

3. Государственный стандарт ГОСТ Р 52201—2004 «Этанольное моторное топливо для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием «Бензанолы». Общие технические требования»». Данное топливо разработано совместно с ЗАО НПО «Химсинтез» и является отечественным аналогом топлива «Газохол», на которое приходится около трети общего объема применяемого в США автомобильного бензина. Бензанол представляет собой смесь нефтяных углеводородов и денатурированного этилового спирта (от 5 до 10 % объём.), а также других присадок, обеспечивающих антидетонационные, антикоррозионные, антиокислительные и другие нормативные характеристики моторного топлива;

4. Стандарт СТО 11605031–007—2006 с требованиями к денатурированному топливному биоэтанолу. С целью возможного экспорта характеристики к качеству биоэтанола в нем полностью соответствуют западному стандарту (АSТМ Д 4806).

Применение этанола в составе автомобильных бензинов влечет за собой ряд трудностей при организации производства, хранении, транспортировке и использовании бензиноэтанольных видов топлива. Это связано с фазовой нестабильностью (расслаиванием при хранении) бензина с добавкой этанола, коррозионной активностью по отношению к металлическим материалам и старением резинотехнических изделий, как в топливных системах автомобиля, так и на автозаправочных станциях, а также склонностью такого топлива к накоплению отложений на впускных клапанах и образованию нагара в камере сгорания (табл. 29).

Табл. 30. Образование отложений в двигателе при применении биоэтанола

Для производства биодизеля используют различные жиры растительного или животного происхождения. Для того чтобы превратиться в биодизель, они подвергаются процессу этерификации, в ходе которого превращаются в эфиры жирных кислот. Смесь этих эфиров и называют биодизелем. Сопутствующим продуктом является глицерин (см. рис. 36). При этом в качестве добавки к такому топливу может применяться и чистое дизельное топливо, в концентрации не более 20 %. Физико — химические свойства различных смесей дизельного топлива (ДТ), чистого рапсового масла (РП) и его метилового (МЭРМ) и этилового эфиров (ЭЭРМ) представлены в табл. 30.

Табл. 31. Физико-химические свойства топлива для дизельного двигателя

Наиболее распространенным сырьем для производства биодизеля служат различные сельскохозяйственные масличные культуры: рапс, соя, подсолнечник, ятрофа, кокос и др. Из них наибольшее распространение получил рапс — неприхотливое растение семейства крестоцветных, которое хорошо произрастает в умеренном климате, имея продуктивность 1,2 тыс. л масла с одного гектара. Для сравнения, с одного гектара подсолнечника можно получить около 0,95 тыс. литров масла. Эффективность переработки кокоса и ятрофы значительно выше, но их производство ограничено странами с тропическим климатическим поясом. При этом следует отметить следующее:

— применение чистого рапсового масла и его метилового эфира (МЭРП) в качестве добавки к дизтопливу в концентрации до 20 % не требует дополнительной регулировки дизеля и не приведет к ухудшению его мощности и экономичности;

— использование 20 % рапсового масла в дизтопливе позволяет снизить дымность выхлопа до 40 %, выбросы углеводородов на 25…36 %, а оксида азота до 3,8…10 %.

Однако в последнее время наиболее перспективным объектом для производства биодизеля становятся водоросли. Продуктивность водорослей может достигать фантастических объёмов — 95 тыс. л масла с 1 га водной поверхности, вследствие чего в США, Канаде, ЮАР, Новой Зеландии и Испании начато строительство заводов по производству биодизеля из водорослей.

Применение в качестве биодизеля чистого растительного масла, как и его кустарное производство, практически невозможно, так как требуется строгое соблюдение промышленной технологии (рис. 38).

Рис. 38. Схема получения биодизеля из рапса: 1–6 — виды топлива с разным содержанием биодизеля в качестве добавки

Во — первых, для этерификации используется очень ядовитый и опасный метиловый спирт. Во — вторых, необходима очистка получаемого промежуточного продукта от образующихся жирных кислот, приводящих к омылению и последующему засорению топливных фильтров, а также образованию нагара в цилиндрах дизельного двигателя. В — третьих, требуется удаление остатков влаги, которая может привести не только к повышению водородного изнашивания и коррозии деталей двигателя, но и к интенсивному размножению микроорганизмов и резкому снижению качества биодизеля.

Несмотря на то, что биодизель можно применять и в чистом виде, чаще всего он является своего рода присадкой к классической нефтяной солярке. Так, в США (штат Миннесота) принят закон, обязывающий применять во всем дизельном топливе 2 % биодизеля. В Канаде к 2012 году также планируется введение 2 % биодизеля в состав всего автомобильного и печного топлива, а в Японии с марта 2007 года разрешено 5 %-ное содержание биодизеля в дизельном автомобильном топливе. Более того, в Южной Корее уже в 2006 году доля биодизеля от общего потребления дизельного топлива составляет 0,5 % и в последующие годы неуклонно растет.

В Европейском союзе в 2010 году доля биотоплива (этанола и биодизеля) должна составлять не менее 5,75 %, при этом в Германии уже с 1 января 2007 года его доля составляет 5 %, во Франции на текущий год запланировано 7 %, а в Португалии — 10 %.

Соответствующие программы по производству биотоплива приняты также в Австралии, Бразилии, Китае, Тайване, Индии, Индонезии и других странах.

Биодизель может применяться в качестве смазывающей присадки в объеме 1…2 % к нефтяному дизельному топливу с крайне низким содержанием серы. Смесь биодизеля и дизельного топлива маркируется буквой «В», например, смесь из 20 % биодизеля и 80 % дизтоплива имеет марку В20, служит обычной заменой дизтопливу и является самой распространенной биодизельной смесью в США. При соответствующей подготовке топливной системы дизеля, например установке специальных подогревателей, а также замене уплотнительных материалов и прокладок, контактирующих с топливом, можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В100).

Установлено, что биодизель марки В20 ухудшает показатели выброса в пять раз по сравнению с В100, а 2 %-ная смесь биодизеля с соляркой может использоваться как обыкновенная топливная присадка, но, естественно, она меньше всего улучшает показания выхлопа.

Использование биотоплива В100 из бобов сои в двигателях городских автобусов позволило снизить выброс углекислого газа почти на 79 %, но с учетом выбросов, получаемых при производстве биодизеля, этот эффект нивелируется.

При этом все же не нарушается «парниковый» баланс, так как в атмосферу выбрасывается тот углекислый газ, который был взят из воздуха в ближайшем прошлом, а не аккумулированный в нефтепродуктах несколько миллионов лет назад.

В России, несмотря на достаточные запасы традиционных видов топлива, начато строительство заводов по производству биоэтанола в Омской области и по переработке рапса в Татарстане.

На основании вышесказанного, всё более актуальной проблемой становится защита окружающей среды. Во многих странах мира ведутся исследования и разработка альтернативных смазочных материалов и топлива. Очень обнадёживают последние разработки отечественных и японских учёных по использованию в качестве универсального смазочного материала и топлива воды, водно — масляных эмульсий и водорода.

Обладая высокой смазывающей способностью, наивысшей теплоёмкостью (равной единице), доступностью, низкой стоимостью и, что самое главное, высокой экологичностью, вода в обозримом будущем может полностью заменить нефтяные смазочные материалы.

Вопрос. Можно ли заправлять автомобиль чистым биотопливом?

Ответ. Во многих странах на производство и применение биотоплива отводится значительная часть всего используемого в стране автомобильного топлива, для применения которого разработаны специальные адаптеры.

Лидером в этом является Бразилия, которая уже в 2000 году довела содержание этанола в бензинах до 20 % благодаря технологии «Тотал — флекс». Данная технология позволяет непосредственно перед заправкой автомобиля выбирать тип топлива — бензин или спирт. Двигатель адаптируется к виду топлива автоматически, и не важно, в каких соотношениях применяется нефтяной бензин, биоэтанол или их смесь.

В Германии продается специальное устройство «Flex — Тек» для модернизации любого автомобиля в целях использования смеси этанола и бензина (рис. 39). Например, такой системой оборудуются автомобили «Фольксваген», которые поставляются и в Россию.

Рис. 39. Автомобильное устройство «Flex — Тек» для использования смеси этанола и бензина

Для применения биодизеля модернизация двигателя не требуется, но существует ряд ограничений. При отрицательных температурах необходим дополнительный подогрев топлива или применение специальных депрессорных присадок.