Разделы: Биотехнологии
Размещена 05.10.2013. Последняя правка: 05.10.2013.
Просмотров - 4443

Использование биоэтанола в качестве авиационного топлива из отходов сахарного производства

Салимзянова Айгуль Альфировна

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

студент

Ор-Рашид Х.М., Кострюкова Н.В.

Природные ресурсы, которые потребляет человечество, можно условно разделить на две части: возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым ресурсам относятся все те ресурсы, которые можно восстановить с помощью фотосинтеза в обозримый отрезок времени. Это все виды растительности и те ресурсы, которые можно из неё получить. К невозобновляемым относятся полезные ископаемые, которые в обозримое геологическое время уже не восстановятся. Используемые человечеством технологии ориентированы в первую очередь на использование невозобновляемых природных ресурсов. Это нефть, уголь, руды и т.п. При этом их использование технологически влечёт за собой нарушения в окружающем мире: уменьшается плодородие почв и количество пресной воды, загрязняется атмосфера и т.п. Альтернативой существующим технологиям являются технологии, ориентированные на переработку растений, использующих для своего роста солнечную энергию. Получающиеся при этом продукты могут закрыть практически все потребности человечества в энергоресурсах. Одним из продуктов, который можно получить из всех растений, является спирт, который может использоваться во все видах двигательных установках вместо бензина. Достоинства и недостатки различных видов топлива представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Примеры различных видов топлив

Вид топлива	Достоинства	Недостатки
Керосин	1.Дешевизна добычи и использования; 2.Простота хранения и долговечность топлива; 3. Высокая теплотворная способность	1.Эмиссия вредных веществ; 2.Недолговечность двигателя; 3.Использование невозобновляемых природных ресурсов.
Спирт	1.Высокая температура вспышки; 2.При горении почти не создают дыма и не образует золы; 3.Производится из возобновляемых источников; 4.Содержание большого количества кислорода	1.Низкая теплотворная способность; 2.Разъедание некоторых металлов.

 

Главным преимуществом этанола перед топливом из растительных масел является несоизмеримо большая сырьевая база, что обуславливается возможностью производства этанола практически из любого органического сырья, в том числе и отходов, тогда как для производства растительных масел могут быть использованы только определённые виды растений, что требует дополнительных мероприятий по их выращиванию и переработке.

Высокие антидетонационные качества определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. При этом основные мероприятия по переводу самолетов на работу на чистых спиртах сводятся к увеличению вместимости топливного бака (в случае необходимости сохранения беззаправочного пробега), увеличению степени сжатия двигателя до 12—14 с целью полного использования детонационной стойкости топлива и перерегулировки карбюратора на более высокие его расходы (в соответствии со стехиометрическим коэффициентом) и большую степень обеднения смеси. Низкое давление насыщенных паров и высокая теплота испарения спиртов делают практически невозможным запуск карбюраторных двигателей уже при температурах ниже +10°С.

Благодаря тому, что этиловый спирт является химическим соединением, содержащим в своём составе кислород он является сильнейшим катализатором горения бензина. Стехиометрический состав безиновой смеси должен содержать 14,5 долей воздуха на долю топлива. При использовании в топливе, например, 30% этилового спирта требуемое содержание воздуха снижается до 9 долей. Это означает, что для сжигания такого же объёма топлива, но имеющего в своём составе этиловый спирт необходимо в полтора раза меньше воздуха, чем при сжигании топлива на 100% состоящего из чистого бензина. Во-первых - это значительное увеличение максимальной мощности двигателя - не меняя конструкцию двигателя можно сжигать при том же объёме подаваемого воздуха в 1.5 раза больше топлива. В тоже время, вследствие низкотемпературного горения спиртового топлива мгновенная нагрузка на поршневую и силовые элементы намного ниже, чем при горении чистого бензинового топлива. Во-вторых - увеличивается крутящий момент двигателя на низких оборотах из-за более раннего воспламенения топливной смеси. В-третьих - мощность двигателя не снижается при движении по горным дорогам, на значительной высоте над уровнем воздуха, в отличии от обычных двигателей работающих на чистом керосине.

В работе разработана схема производства спирта из отходов сахарного производства. В настоящее время производство этанола из мелассы является актуальным как с позиции рационального природопользования, так и с точки зрения экономической эффективности. При обработке мелассы образуется большое количество отходов в виде барды, лютера, которые впоследствии можно переработать.

Производство этилового спирта из мелассы ведется по периодическому способу брожения (рисунок 1) . Особенностью сбраживания мелассы является приготовление и переработка мелассного сусла одной концентрации.

 

Рисунок 1 – Схема получения этилового спирта из свелкосахарной мелассы

Технология получения этилового спирта из мелассы основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами и включает следующие основные процессы:

- приготовление мелассного сусла;

- сбраживание сусла;

- перегонка бражки.

Основная задача процесса нейтрализации — снижение ак­тивной кислотности мелассы с повышением рН от 1,3 до 3,5…5, что достигается нейтрализацией серной и частично ор­ганических кислот мелассы с помощью нейтрализующих агентов. В качестве нейтрализующих агентов применяются из­вестковое и меловое молоко, а также аммиачная вода.

Нейтрализованный, очищенный и охлажденный раствор мелассы, содержащий необходимые питательные соли, носит название мелассного сусла.

Сбраживание мелассного сусла с использованием дрожжей,  производят в бродильных аппаратах (чанах) в непрерывном потоке бражки, для чего бродильные чаны соединены между собой в непрерывнодействующую бродильную батарею.

Следующим этапом является выделение спирта из ректификационной колонны. Процесс ректификации является завершающим этапом получения спирта из мелассы.

Этанол содержит в своем составе разные соединения, такие как метанол, сивушные масла, эфиры и альдегиды. Эти соединения улучшают качество этанола, поэтому их отделять не надо. Без этих соединений, качество этанола ухудшается. В связи с этим, в производстве этанола достаточны только две ректификационные колонны, вместо 3…5 колонн.

Таким образом, при переработке мелассы решаются одновременно две проблемы: проблема утилизация отходов, использование возобновляемых источников энергии.

Был произведен сравнительный расчет эмиссии двигателя ТУ-154, использующий керосин и теоретический расчет эмиссии двигателя, использующий спирт.

Эмиссия двигателей – выброс в атмосферу с отработавшими газами авиационных двигателей прямых и побочных продуктов сгорания топлива, которые могут быть причиной нежелательного воздействия летательного аппарата на окружающую среду.

"Степень вредности" каждого авиадвигателя характеризуется его контрольными параметрами эмиссии различных ингредиентов - где

М_i – массы каждого вредного вещества, выброшенного за время его работы.

R₀ – тяга двигателя на взлётном режиме – величина, известная из документации, или из формуляра двигателя.

На рисунке 2 представлена диаграмма по результатам расчета эмиссии двигателей самолета Ту-154 и проектного двигателя самолета.

 

Рисунок 2 – Диаграмма распределения вредных веществ самолета Ту-154 и проектного двигателя на спиртовом топливе

 Таким образом, двигатель на спиртовом топливе не выбрасывает монооксидов углерода, на 27% меньше углеводородов, на 40% меньше оксидов азота, на 32% меньше оксидов серы. Основную массу выбросов составляют выбросы воды и диоксиды углерода.

Анализ показал, что альтернативный вид топлива – спирт позволяет уменьшить загрязнение окружающей среды, увеличить мощность двигателя, а также использовать возобновляемые источники энергии, не нанося ущерб природной среде.

1. Производство биоэтанола [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.bioethanol.ru/bioethanol/ свободный. - Загл. С экрана. – Яз. Рус. 26.11.2011.
2. Гарипов, М.Д., Еникеев Р.Д., Сакулин Р. Ю. Рабочие процессы и конструирование двигателей, работающих на биотопливах: учебное пособие – Уфимский государственный авиационный технический университет – Уфа: УГАТУ, 2008. – 107 с.
3. Биомасса — источник энергии/ Н.А. Рустамов, С.И. Зайцев, Н.И. Чернова // «Энергия», 2005, № 6. С. 20-28.

Рецензии:

24.03.2014, 11:09 Ступко Валентина Юрьевна
Рецензия: Не понятна цель написания данной статьи. Если автор предполагал провести анализ информации по вопросу целесообразности использования биотоплива, в частности определенным образом полученного спирта, то вероятно ему стоило использовать больше источников. По всей видимости схема получения спирта взята также из какой-то работы, ссылка на которую не приведена. Непонятно, является ли график приведенный в конце статьи, результатом работы самого автора или это также данные, полученные другими. Рекомендую автору добавить ссылки на литературу и определиться с целью данной публикации. Соответственно, либо расширить перечень источников (если эта статья обзорная), а также провести более детальный их анализ и сравнение различных точек зрения (не все считают биотопливо панацеей), либо акцентировать внимание на своей работе (расчетной части, анализе полученных автором данных). Поскольку автор начинающий исследователь, подобная работа будет способствовать его профессиональному росту. Также прошу обратить внимание, что перевод abstract имеет ряд грамматических ошибок. Рекомендую проконсультироваться со специалистом.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий