5. Альтернативные топлива

В условиях глобального экологи­ческого кризиса назрела необходимость постепенного перехода на использование альтернативного сырья для производства топлив и смазочных материалов. Можно выделить две основные решае­мые при этом задачи:

– использование возобновляемых источников сырья;

– снижение загрязнения окружающей среды.

За рубежом в настоящее время при использовании альтерна­тивных топлив объективную возможность снижения выброса диоксида углерода оценивают на 20 % и до 50 % в отдалённом будущем (по сравнению с нефтяными топливами).

Применяемые в настоящее время альтернативные топлива и вы­сокооктановые добавки сильно различаются по токсичности. Сжи­женные нефтяные газы (пропан-бутан) значительно менее токсич­ны (ПДК = 1800 мг/м³) по сравнению с нефтяными бензинами (100 мг/м³) и дизельными топливами (300 мг/м³). Различаются по экологическим свойствам высокооктановые спиртовые добавки в бензин — метанол (5 мг/м³) и этанол (1000 мг/м³). Сжиженные нефтяные газы при использовании в бензиновых автомобилях и дизелях снижают токсичность отработавших газов. Но из-за низко­го цетанового числа (18–22) в конце такта сжатия необходим впрыск в цилиндр запальной порции 20–40 % дизельного топлива, или двигатель должен быть дооборудован искровым зажиганием.

Таблица 9

ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ

В РАЗНЫХ СТРАНАХ МИРА

Регион	США			Калифорния (Техас)	Европейский Союз			Швеция	Категория IV, Мировая хартия топлив
Характеристика	ЕРА			САRВ (ТNRСС)	Евро-2	Евро-3	Аutо Оil II	Класс I
Ввод в действие, год	1993	1998	2006	2006'	2000	2005	2008'	1991
Плотность, кг/м3
мин.	–	–		830	–	825		800	820
макс.	876			860	845	845	830	820	840
АРI3 минимум	30			33	36	36–40	–	41,1	37,0
Содержание серы (макс.), ррm	500	50	15	15	350	50	30	10	5–10
Цетановый индекс	40	–						50	>52
Цетановое число	–	–		48	51	3	54–58	–	>55
Содержание аренов
общее	35 % об.	–		10 % мас.	–			5 % об.	15 % об.
полициклических	–			1,4 % мас.	11 % мас.	1-6 % мас.	1-4 % мас.	0,02 % об.	2 % об.
Фракционный состав: перегоняется при температуре 0С, не выше
90 %	338	–		321	–	–		285	320
95 %	366			–		340–360		300	340
конец кипения	–			348	360	–		–	350

1 – с 1 мая 2002 – на ароматические углеводороды,

2 – ожидаемые значения;

3 – Association of Petroleum Engineers (Ассоциация инженеров-нефтяников США)

Значительные преимущества по экологическим свойствам имеют газожидкостные топлива, содержащие в смеси с низкоок­тановым бензином сжиженные нефтяные или сжатые природные газы. Такие топлива дешевле бензина, при раздельном хранении бензина и газа на борту и совместной подаче в камеру сгорания в отработавших газах образуется меньше в 1,5–2 раза СО и на 30 % NO_x. Практический интерес также представляют бензо-водородные и бензо-аммиачные топлива, при использовании ко­торых в бензиновых и дизельных (с запальной порцией дизель­ного топлива) двигателях значительно снижается содержание СО и NO_x в отработавших газах. Однако использование сжи­женных газов требует более сложного криогенного оборудова­ния из-за низких температур кипения (⁰C): пропан-бутана (–42), природного газа метана (–162), водорода (–252,8) и амми­ака (–33).

Расширение использования альтернативных топлив на основе спиртов (метанол, этанол) и добавок простых эфиров (диметиловый и метил-трет-бутиловый эфиры) может снизить в ближайшем будущем выброс в атмосферу оксидов углерода и азота. Перс­пективны в качестве альтернативных топлив растительные масла и продукты на их основе. Обусловлено это тем, что производство спиртов и эфиров в основном осуществляется из нефтяного сы­рья и, кроме повышенных затрат энергии, приводит к значитель­ным выбросам в атмосферу диоксида углерода. В дальнейшем производство спиртовых топлив может способствовать росту та­ких выбросов, если уголь со временем станет основным источ­ником получения метанола.

Можно выделить два направления использования раститель­ного сырья:

• получение спиртовых топлив на базе сахарной свёклы, са­харного тростника, пшеницы, картофеля и соломы, а также био­газов и жидких топлив пиролизом сельскохозяйственных отхо­дов (биомассы) и древесины;

• получение топлив на основе растительных жиров, а также маслоотходов пищевой промышленности и предприятий обще­ственного питания; при этом возможно получение топлив всех видов: бензины, дизельные, котельные; преобладает производ­ство дизельных топлив (так называемое «биодизельное» топливо); топлива на базе растительных масел лидируют среди альтер­нативных продуктов.

Потенциальным заменителем дизельного топлива являются сложные метиловые эфиры жирных кислот, получаемые путём переэтерификации триглицеридов растительных масел метанолом в присутствии катализатора. Использование такого альтернативно­го топлива не требует модификации двигателя. Кроме того, био­дизельное топливо более благоприятно по сравнению с нефте­продуктами по таким показателям, как содержание серы и аренов, температура вспышки, биоразлагаемость; выбросы содержат значительное количество твёрдых частиц, но имеют низкое со­держание или отсутствие летучих органических и серосодержа­щих соединений. Однако биодизельные топлива в выхлопе дают большее количество оксидов азота (вероятно, ответственных за образование тропосферного озона в смоге), чем традиционные нефтяные; проблему решают путём совершенствования конст­рукции двигателя и использования каталитических дожигателей выхлопа. Биодизельные топлива склонны к помутнению и зас­тыванию при более высоких температурах, чем нефтяные, что осложняет их использование в районах с холодным климатом. Биодизельное топливо можно смешивать с нефтяным; обычно используют смеси с содержанием «биокомпонента» от 5 до 20 %.

В производстве биодизельного топлива используется большое количество метанола, который весьма токсичен. Хорошая альтер­натива – этанол, как менее токсичный и производимый из рас­тительного сырья – кукурузы.

Распространённым сырьём (84 % от используемого) является рапсовое^* масло, наряду с которым применяют подсолнечное, со­евое и белое пальмовое масла.

Стоимость биодизельного топлива в настоящее время пример­но в 2 раза выше, чем нефтяного. В производстве такого топли­ва лидируют страны Европейского Союза.

Однако не следует считать, что широкое использование рас­тительных масел в качестве дизельных топлив позволит ради­кально решить экологические проблемы. Рапсовое масло, в час­тности, в своём составе содержит определённое количество со­единений серы, концентрация которых варьируется в большом диапазоне и практически не поддается регулированию обычными агротехническими приёмами. Существенному снижению со­держания серы способствуют все процессы очистки сырого масла (кроме кислотной рафинации).

Применение дизельного топлива на базе рапсового масла су­щественно снижает выбросы диоксида углерода, оксидов азота (на 50 %), аренов и сажи (на 50 %), но увеличивает — оксида уг­лерода и углеводородов (выше, чем в случае нефтяных топлив, но без превышения допустимого предела). Использование слож­ных метиловых эфиров растительных масел снижает в отрабо­тавших газах долю аренов, но повышает образование оксидов азота и канцерогенных ПАУ. В состав отработавших газов могут также входить альдегиды и кетоны. Запах отработавших газов во всех случаях более интенсивен, чем в случае нефтяных топлив.

Альтернативу традиционным топливам могут представлять продукты процесса GTL (gas-to-liquid). Процесс конверсии син­тез-газа (смесь водорода и оксида углерода) в лёгкие углеводо­роды известен уже несколько десятилетий (синтез Фишера-Тропша). Технология производства продукции GTL существен­но отличается от обычной поточной схемы НПЗ с использовани­ем каталитического крекинга. Продукты GTL конкурентоспо­собны с традиционными продуктами нефтепереработки: дизель­ные топлива GTL после компаундирования (смешивания) удовлетворяют или превосходят требования спецификаций на дизельные топлива по содержанию серы и цетановому числу, но уступают им по низ­котемпературным свойствам:

Таблица 10

ТРЕБОВАНИЯ К ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВАМ

Показатель	Нормы ЕС (2005 г.)	Котельно-печное топливо	Газойль каталити-ческого крекинга "флюид"	Газойль процесса GТL
Содержание серы, млн.–1, не выше	50	2000	2000	0
Плотность, кг/м3, не выше	845	860	900	790
Цетановое число, не выше	51	40-45	30	75
Содержание полиаренов, % об., не выше	11	Не определе-но	50	0
Температура выкипания 95 %, С, не выше	360		350	345

Таким образом, улучшение экологических свойств бензинов и дизельных топлив достигается следующими путями:

• производством и использованием в качестве компонентов товарных бензинов продуктов процессов алкилирования, изоме­ризации, полимеризации;

• использованием процессов обессеривания газойлей с помо­щью гидроочистки и деароматизации глубоким гидрированием;

• получением и использованием альтернативных топлив на базе не­фтяного, природного газа, газоконденсата, водорода, растительного сырья, добавок оксигенатов и других экологически чистых компонентов;

• использованием специальных присадок (антидымных, ан­тиэлектростатических, антиокислительных).