ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОРАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ БАЛАНСЕ РЕСПУБЛИКИ
Среди продуктов переработки нефти бензиновая фракция занимает первое место по масштабу своего применения, заключающегося в основном в использовании в качестве энергоносителя - топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Бензиновые фракции, полученные первичной переработкой нефти еще в 40-х годах прошлого столетия перестали применяться в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания без вторичной переработки, которая требовалась для улучшения эколого-эксплуатационных свойств фракции.
В последние годы после запрещения ВОЗ применения тетраэтилсвинца в качестве присадок были использованы многочисленные органические компоненты, среди которых заслуживающими внимания стали нетоксичные вещества, такие как метил третичный бутиловый спирт (метиловый эфир третичного бутилового спирта). Но широкомасштабное применение данного компонента, требующего синтеза в очень больших масштабах, является практически неосуществимым, поскольку сжигание индивидуального компонента в составе товарного бензина с содержанием до 10% масс очень накладно. Для применения такой синтетической органической присадки только в масштабах республики требуется их выработка до 650 тыс. тонн [1].
Поиск альтернативы традиционным жидким топливам с улучшенными экологоэнергетическими и эксплуатационными качествами - одна из наиболее актуальных проблем нефтепереработки, нефтехимии, технологии получения углеводородных соединений из альтернативных и возобновляемых источников энергетии.
Известно, что в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания микрочастицы топлива находятся только 0,2 сек. За этот период микрочастицы топлива не успевают полностью сгореть - окисляются кислородом воздуха. Поэтому процесс горения продолжается в патрубке выброса и в расширителе, где он завершается перед их выбросом в атмосферу. По оценкам специалистов, только 35% массы углеводородного топлива сгорает в камерах сгорания, и эта энергия превращается в механическую, а остальная часть - 65% массы сгорает в патрубке выброса (догорание), что влияет только на загрязнение окружающей среды продуктами полного и неполного горения и температурного загрязнения.
Настоящее исследование предусматривает изучение обеспечения полного горения углеводородного топлива в камерах сгорания за этот очень короткий промежуток времени, предотвращающего образование продуктов неполного горения, что также положительно влияет на увеличение энергетической мощности двигателя при одинаковом расходе единицы объема топлива. Себестоимость изучаемой синтетической композиционной топливной смеси не выше себестоимости традиционного топлива. Кроме того, во время применения синтетической композиционной топливной смеси мощность двигателей - к.п.д. - увеличивается в единице расхода топлива за счет увеличения полного объема сгораемого топлива в камерах сгорания автомобильного двигателя.
Добавление синтетических (предварительно синтезированных кислородсодержащих соединений) в углеводородне топливо усложняет как в технологическом, так и в аппаратурном отношении, в целом, в экономическом отношении реализацию предложений, хотя эколого-эксплуатационные свойства полученного таким путем топлива значительно улучшаются по сравнению с получаемыми с помощью традиционных технологиий. Другая разновидность улучшения экологоэксплуатационных свойств топливных композиций - добавление к ним низкомолекулярных одноатомных спиртов, типа этанола и метанола.
Применение обоих названных компонентов связано с общими и индивидуальными сложностями, которые принципиально препятствуют их широкомасштабному применению, а именно - большая токсичность метанола. Поэтому данные методы не могут выйти за рамки лабораторных исследований, хотя они по температурам кипения соответствуют интервалам кипения бензиновых фракций, производимых отечественными заводами (легкая нафта, с интервалом кипения 31-79 оС, р=654 кг/м3, тяжелая нафта р=736кг/м3, с интервалом кипения 85-171оС и риформат тяжелая нафта р=785кг/м3,с интервалом кипения 42-193 оС).
Эксперименты с октаноповышающими добавками на основе спиртов в Республике Узбекистан ведутся уже давно, однако предлагаемые разработки носят лишь рецептурный характер, а исследования направлены на снижение известных недостатков спиртосодержащего топлива, таких как фазовая стабильность, коррозионная агрессивность и т.д. Таким образом, проведение систематических исследований с использованием смесей спиртов и разработка на основе полученных закономерностей высокооктановых композиций бензинов являются актуальными задачами.
Разработка комплексных мер, включая синтез композиционной топливной смеси для использования в системах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) без установки дополнительных механических аппаратурных узлов по обеспечению полного (максимального) горения углеводородного топлива в камерах сгорания, является вопросом первостепенной важности, но идет с большим опозданием.
Предлагаемый метод и технология заключаются в синтезе кислородсодержащих стойких химических соединений на стадии первичной переработки нефти. Эта технология может исключить несколько этапов переработки из многоступенчатой технологической схемы получения товарных бензинов без их вторичной переработки для использования (эксплуатации) в двигателях внутреннего сгорания.
Метод и технология заключаются частично в слабом окислении бензиновой фракции кислородом воздуха в присутствии катализатора в паровой фазе. Тогда в бензиновой фракции имеется определенное количество органических кислот, содержание которых можно регулировать при помощи определенных технологических операций и применяемого катализатора. Именно на этой же стадии к продукту фракционирования и частичного окисления добавляются соответствующие фракции пироконденсата по интервалу кипения продукта сухой термической переработки гузапаи до 10-15 % об., смесь химических продуктов, образованных в процессе сухой (перегонки) обработки древесины, где имеют место низкомолекулярные одноатомные спирты. Во второй части реактора, куда загружен катализатор, будет иметь место реакция каталитической этерификации, т.е. в каталитическом реакторе в первой зоне, где загружен катализатор окисления, протекает процесс каталитического окисления углеводородов с образованием органических кислот, а во второй части этого же реактора, где на участке перехода веществ из зоны окисления в зону этерификации добавляется продукт сухой перегонки гузапаи, потенциал которой по самым скромным подсчетам может исчисляться более 40 млн тонн. Образованная молекула воды в ходе протекания реакции этерификации не превышает допустимой концентрации влаги в составе товарного бензина. Таким образом, на стадии первичной переработки нефти (выделение бензиновой фракции) одновременно протекает процесс синтеза присадки, улучшающей эколого-эксплуатационное свойства товарных бензинов, следовательно, исключается необходимость переработки бензиновой фракции вторично. Среди оксигенатов наибольший интерес вызывают спирты, а особенно этанол не только в связи с его высоким октановым числом и способностью снижать выбросы загрязняющих веществ, но и с возможностью производства практически из любой растительной биомассы, что позволяет расширить сырьевую базу для производства топлива и сэкономить значительное количество дорогой невозобновляемой нефти.
В комплексном способе обеспечение полного горения поликомпонентного органического топлива в двигателях внутреннего сгорания, преимущественно бензинов, происходит в заданном термостатическом режиме, который поддерживается путем полного поглощения воздуха по объему органического топлива. В этом случае полное горение обеспечивается тем, что даже в самом ядре мелких аэрозолей имеется содержание кислорода, который стимулирует процесс полного горения, вызывающий внутреннюю турбулизацию в микросистеме, впоследствии позволяющий полную диффузию кислорода воздуха до самых труднодоступных участков, несмотря на различные физико-химические свойства поликомпонентной смеси топлива.
Кислородсодержащие компоненты топлива катализируют процесс горения. Следует отметить, что в большом пространстве описанный процесс имеет аналогичный вид. В центре камеры внутреннего сгорания частица топливной смеси со всех сторон имеет одинаковую концентрацию кислорода, но при близком расстоянии к стенкам камеры внутреннего сгорания концентрация кислорода со всех сторон горючего компонента не будет одинаковой. Поэтому при данном условии наблюдается более пассивное протекание процесса горения, что в технологии имеет название пристеночного эффекта. Значительное содержание трансфер кислорода воздуха в компонентах топлива благоприятствует процессу и обеспечивает более полное горение в камере.
Оригинальность способа заключается в том, что в отличие от многочисленных предыдущих работ объектом выбраны не только смесь продуктов горения перед выбросом, но и в первую очередь сам энергоноситель. Первоочередное внимание акцентируется на управлении процессом полного горения в рабочей зоне двигателя внутреннего сгорания с внедрением гомогенно-каталитического метода абсорбции носителей кислорода воздуха в поликомпонентной топливной композиции.
При малом содержании ароматики в углеводородной составляющей композиции для всех оксигенатов экспериментальные значения превышают аддитивность. С увеличением содержания ароматических углеводородов экспериментальные значения приближаются к аддитивным и при относительно большом содержании ароматики становятся меньше рассчитанных по аддитивности. Мы полагаем, что такая зависимость объясняется физико-химическим взаимодействием компонентов оксигенат-бензиновой смеси с образованием надмолекулярных структур. Полярные соединения, каковыми являются оксигенаты, со значительным содержанием гидроксильных групп могут образовывать ассоциаты. Как известно, нефть и нефтепродукты являются сложными смесями углеводородов и гетеросоединений и представляют собой не истинные растворы компонентов друг в друге, а дисперсные системы, дисперсной фазой которых служат сложные структурные единицы (ССЕ). Вероятно, полярные молекулы оксигената, добавляемого в бензиновые компоненты, образуют ассоциаты, которые становятся ядром ССЕ. Далее вокруг них ориентируются молекулы наиболее полярных среди бензиновых углеводородов - ароматических соединений, образуя сольватный слой. СЕЕ, в свою очередь, находятся в равновесии с дисперсионной средой, которая состоит из парафиновых и нафтеновых углеводородов. Таким образом, если базовое топливо содержит малые количества ароматических соединений, как в случае фракции НК-85 прямогонного бензина, то сольватный слой вокруг оксигенатных ассоциатов отсутствует или настолько ничтожен, что не оказывает существенного влияния на свойства топливной композиции. Под воздействием избыточной энергии образующихся радикалов ассоциаты оксигенатных молекул разрушаются, при этом сольватируя образующиеся при распаде перекисей радикалы, и препятствуют разветвлению цепи. Если же базовое топливо содержит большие количества ароматики, как в случае риформата (67,62% масс), то ароматическая сольватная оболочка вокруг оксигенатных ассоциатов не позволяет им взаимодействовать с радикалами и эффект от введения оксигената снижается.
Зависимость о. ч. топлива от содержания оксигената в нем в исследованном диапазоне концентраций (0-20% об.) практически прямолинейна. Это является еще одним достоинством оксигенатов, отличающим их от других антидетонационных присадок и добавок, таких как металлсодержащие и беззольные, которые имеют предел эффективности использования при невысоких значениях прироста о. ч.
Сравнение октановых чисел, рассчитанных по правилу аддитивности, с экспериментальными для оксигенат-бензиновых композиций, содержащих разное количество ароматических углеводородов, показало, что существует определенная зависимость (табл. 1-2).