Под биотопливами вообще понимают жидкие фракции растительного происхождения, предназначенные для добавки в нефтяные топлива или для непосредственного использования в двигателе. Этот термин весьма условен и имеет не столько технический смысл, сколько политический и социальный…

В самом деле, тот же этиловый спирт, получаемый из сельскохозяйственного сырья, как энергоноситель ничем не отличается от гидролизного или синтетического этанола, но его производители и потребители, например, в странах Евросоюза имеют большие преференции. Это объясняется стремлением не только решить проблему расширения топливной базы, но и стимулировать собственного сельскохозяйственного производителя. Важное достоинство биотоплива – замена продуктов нефтепереработки на природное возобновляемое сырье. Поэтому наибольшее внимание этой проблеме уделяется в странах, бедных нефтью, но располагающих богатыми растительными ресурсами.

К биотопливам относят этанол, получаемый брожением растительного сырья (биоэтанол), простые эфиры типа ЭТАЭ, для производства которых был использован биоэтанол и метиловые эфиры жирных кислот, получаемые из растительных масел. В этой статье рассмотрим проблему биодизеля. Несмотря на то, что в России он практически не используется, некоторая информация об этом виде топлива может быть полезной. Возможность организации его производства с целью применения на транспорте или для экспорта рассматривается в нашей стране на разных уровнях. Ниже коротко изложен зарубежный опыт.

Согласно определению стандарта США под биодизельным топливом понимают моноалкиловые эфиры жирных кислот, получаемые из растительных или животных масел и предназначенные для использования в дизельных двигателях. Основная задача, которая при этом решается – замена продуктов нефтепереработки на природные возобновляемые ресурсы. Таким образом, быстрое упрочение позиций биотоплива объясняется стремлением поддержать сельскохозяйственного производителя.

Сырьем для биодизельного топлива являются рапсовое, подсолнечное, пальмовое и другие растительные масла, а также свиной жир. Введение в топливо непереработанных масел, как это иногда пытаются делать, нежелательно. Дело в том, что они характеризуются повышенной вязкостью, сравнительно низкой теплопроизводительностью, уменьшающей мощность двигателя в среднем на 15%, обладают плохими пусковыми свойствами при пониженной температуре, а из-за наличия свободных кислот плохо совмещаются с конструкционными и уплотнительными материалами и имеют склонность к окислению при хранении. Поэтому масла алкилируют, получая моноэфиры соответствующих кислот. Продукты алкилирования характеризуются лучшими низкотемпературными свойствами и пониженной вязкостью. Цетановое число при этом повышается с 30-40 до 50-80 ед.

Наиболее распространенным топливом данного типа является так называемый рапсметиловый эфир (РМЭ), который в заметном количестве используется в Швеции, Германии, Франции и других странах. Его можно добавлять к дизельному топливу в концентрации до 30% без дополнительной регулировки двигателя. В западноевропейских странах принято решение об обязательной добавке 5% РМЭ в дизельное топливо, но кое-где (например, в Швеции) его используют непосредственно. Стоимость РМЭ в настоящее время примерно в два раза выше, чем нефтяного дизельного топлива. Однако, можно полагать, что объемы производства метилированных растительных масел будут увеличиваться, агротехнологии совершенствоваться, что приведет к снижению их себестоимости до приемлемого уровня.

Ниже сравниваются некоторые характеристики дизельного топлива и эфиров растительных масел.

Учитывая, что теплотворная способность биодизеля составляет примерно 0,88 от теплотворной способности дизельного топлива из нефти, а с другой стороны, его плотность несколько выше, цикловая подача биодизеля в двигатель должна быть на 6-8% больше. Однако, если речь идет о 5%-ной добавке биодизеля, регулирования топливного насоса не потребуется.

Некоторые важные свойства продуктов переэтерификации наиболее распространенных растительных масел метанолом приведены ниже:

В ряде стран разработаны национальные стандарты на биодизельное топливо. Их требования представлены ниже:

Испытания РМЭ и его добавок к дизельному топливу в США и Европе показали, что при его использовании снижается эмиссия углеводородов и оксида углерода, а интенсивность образования оксидов азота остается без изменения. Было отмечено некоторое увеличение выбросов озонообразующих компонентов (ароматических углеводородов, олефинов и альдегидов). Поэтому двигатели, работающие на биотопливе, должны быть оборудованы каталитическими нейтрализаторами. Наблюдается также увеличение образования твердых частиц, но при этом их характер иной, чем при работе на дизельном топливе. Собственно сажи содержат немного твердых углеродных частиц, их основная часть состоит из растворимых органических соединений, представляющих собой главным образом несгоревшие частицы биотоплива. Исследование мутагенной активности твердых частиц показало, что она ниже, чем у твердых частиц, образующихся при сгорании дизельного топлива.

Примечательно, что в присутствии моноалкиловых эфиров растительных кислот улучшаются свойства малосернистых экологически чистых дизельных топлив. Это очень важное обстоятельство, поскольку снижение содержания серы в топливе в общем случае приводит к потере его смазывающих свойств.

Недостатки и достоинства биодизельных топлив обощены в таблице:

Для алкилирования масел можно использовать не только метанол, но и другие доступные спирты. В этом отношении перспективен этанол. В частности, цетановые числа этиловых эфиров жирных кислот на 10-15 ед. выше, чем соответствующих метиловых эфиров.

Получение биодизельных топлив может быть осуществлено одним из трех методов.

Наиболее распространена переэтерификация растительных и животных жиров, представляющих собой триглицериды карбоновых кислот, метанолом в присутствии катализаторов (щелочей или кислот). В случае щелочей степень превращения жиров выше и достигает 98%. Температура процесса – 60-70^оС, давление – до 0,15 МПа. Расход щелочи составляет около 1% от масла. Требования к сырью довольно жесткие: содержание свободных кислот не должно превышать 0,5%, кислотное число – не более 1 мг КОН/г. Требуется также отсутствие воды. В противном случае начнется мылообразование, увеличивающее расход щелочи и препятствующее отделению глицерина от реакционной массы. В качестве агента переэтерификации чаще всего используют метанол, но интересен и этанол как растительное сырье. В жестких условиях (давление выше 300 атм, температура – 350^оС), когда метанол находится в сверхкритическом состоянии, высоких требований к сырью можно не предъявлять, а сам процесс протекает в течение нескольких минут и может быть осуществлен в непрерывном виде. Такой метод перспективен, но пока мало распространен, поскольку сложен в технологическом оформлении. Разрабатывается также процесс гидрокрекинга растительного масла, позволяющий получать эфиры с очень низким содержанием серы и высоким цетановым числом.

Мировое производство биодизеля в 2005 г. составило около 1,7 млн. т, в том числе, в Евросоюзе – 1,5; в Восточной Европе – 0,1; в США – 0,07. По прогнозу к 2020 г. оно увеличится до 23 млн. т/год. В России также имеется интерес к этому виду топлива, который объясняется, прежде всего, инициативой сельскохозяйственный производителей. В качестве основных источников масел рассматриваются рапс, соя, а в некоторых регионах – подсолнечник. Главная трудность заключается в низкой урожайности, затянутых сроках сбора и переработки семян. Впрочем, при внутрихозяйственном производстве и применении биодизеля экономический эффект может оказаться достаточно большим. Расчеты показывают, что при оптимальной организации производства рапсового масла в фермерских хозяйствах России его себестоимость может быть вдвое ниже цены дизельного топлива.