Баубеков Е.Е., Акчурин А.Г.

Республика Казахстан,город Алматы

К ВОПРОСУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПИРТОВ В КАЧЕСТВЕ МОТОРНОГО ТОПЛИВА

Транспортная стратегия Республики Казахстан до 2015 года предусматривает меры повышения эффективности пассажиро- и грузоперевозок, что очень важно для минимизации потребления топливо-энергетических ресурсов и выбросов в атмосферу загрязняющих веществ и парниковых газов от транспортного сектора.

В мировой практике автомобилестроения и эксплуатации автомобилей достигнуты определенные успехи в области экологической безопасности. Прежде всего, приняты нормы на токсичные выбросы автомобилей. Эти нормы поэтапно ужесточаются. Для обеспечения нормативов производится техническое совершенствование автомобильных двигателей, применяются нейтрализаторы отработавших газов и новые виды топлив. Главным образом, осуществляется контроль токсичных выбросов автомобилей по принятым нормативам,

В Республике Казахстан в местах концентрации автомобильного транспорта, в крупных городах республики, особенно с неблагоприятными климатическими условиями, как в Алматы и других, наблюдается особо повышенный уровень загрязнения атмосферного воздуха. Ежегодный объем атмосферных загрязнений в Казахстане только от автомобильного транспорта составляет порядка 14-15 млн. т.,

В настоящее время во всех крупных городах Республики Казахстан осуществляется мониторинг (контроль) воздушного бассейна городов. Данные свидетельствуют о том, что имеет место систематическое превышение уровня загрязнения городского воздуха токсичными веществами по сравнению с допустимыми санитарными нормами ПДК.

В Алматы экологическая ситуация является крайне критической. Город расположен в предгорной котловине. Его климатические условия отличаются большой повторяемостью штилей и слабых ветров, приземных инверсий температур, туманов. Такие особенности приводят к аккумуляции в атмосфере вредных веществ, выделяемых стационарными и передвижными источниками. В результате город, не являясь крупным индустриальным центром, считается одним из самых загрязненных городов Казахстана.

Состояние атмосферного воздуха в г. Алматы оценивается по результатам анализа и обработки проб воздуха, отобранных на 3-х стационарных постах наблюдений (НПЗ). Основными критериями качества являются значения предельно-допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе.

Уровень загрязнения атмосферы оценивается по величине комплексного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА5), который рассчитывается по пяти веществам с наибольшими нормированными на ПДК значениями с учетом их класса опасности.

По данным наблюдений в городе отмечается высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха. Индекс загрязнения атмосферы (ИЗА5) составил 12,13. Средняя за год концентрация формальдегида составил 4,0 ПДК, диоксида азота - 2_?2 ПДК, взвешенных веществ (пыли) - 2,0 ПДК. Содержание диоксида серы, оксида углерода и фенола находилось в пределах допустимой нормы. Максимальные из разовых концентраций диоксида азота достигали 3,4 ПДК оксида углерода - 3,6 ПДК, взвешенных веществ - 2,4 ПДК, формальдегида - 1,4 ПДК, фенола - 1,0 ПДК. Наиболее загрязнен район автомагистрали пр. Райымбека, где содержание формальдегида превышало допустимые нормы в 5,8 раза, диоксида азота - 2 3,0 раза, взвешенных веществ - 2 2,6 раза, оксида углерода - 1,2 раза /1/.

По данным Агентства РК по статистике автомобильный парк Казахстана в 2010 г. насчитывал 3178,3 тыс. единиц [2]. По сравнению с 2000 годом в 2010 году, за 10 лет, количество автотранспортных средств возросло в 2,5 раза. По прогнозам численность парка автомобильного транспорта к 2015 году увеличится до 3400,0 тыс. ед.

По проведенным расчетам выбросов загрязняющих веществ и парниковых газов автотранспортом в Казахстане в 2010 году выброс парниковых газов составил 14,48 млн. тонн, в 2012 году ожидается выброс - 14,94 млн. тонн, в 2015 году - 15,62 млн. тонн.

Одним из способов уменьшения токсичности отработавших газов транспортных ДВС и расширения сырьевых ресурсов моторных топлив является использование спиртов в качестве моторных топлив для автомобилей. Низшие спирты можно использовать в чистом виде, или в смеси с топливами нефтяного происхождения. Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили метанол и этанол.

В настоящее время основным источником получения этанола служит восстанавливаемое растительное сырьё (тростник, свекла, картофель, кукуруза). При переработке этого сырья разложением и брожением получают метан и этанол. Выход этанола с 1 га сахарного тростника - 4400 л, с 1 га сахарной свеклы - 2800 л, с 1 га картофеля - 1664 л, с 1 га кукурузы - 830 л. Этот путь получения этанола не везде выгоден. Интерес к использованию метанола возрос вследствие разработки технологии его получения из бурого угля и горючих сланцев на сравнительно недорогих и высокопроизводительных установках. Кроме того, метанол можно получать синтетическим методом путем прямой или сернокислотной гидратации этилена, а также из не пищевого древесного сырья гидролизным методом.

К основным преимуществам метанола можно отнести его повышенную антидетонационную стойкость, более низкое нагарообразование и возможность получения из бытовых отходов. Высокие антидетонационные качества спиртов определяют преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием.

В большинстве стран мира для двигателей с искровым зажиганием применяют спиртосодержащие топлива. Так в США около 40 % всех применяемых на основе бензина топлив содержат от 5 - 10% этанола («газохолы»). Все ведущие автомобилестроительные фирмы США и Японии допускают применение в своих двигателях бензина с содержанием до 10% этанола. На заправочных станциях Бразилии, США, Канады продают смеси бензина с этанолом Е 10 (10% этанола), Е 85 (85% этанола), Е 95 (95% этанола), Е 100.

Применение этанола в качестве компонента моторных топлив автомобилей является одним из перспективных направлений по следующим причинам:

1. Сокращается расход нефти на производство товарных бензинов и капитальные вложения в нефтепереработку, более гибкой становится схема переработки нефти на НПЗ.

2. Высокое октановое число смешения этанола позволяет снизить требования к октановым характеристикам традиционных бензиновых компонентов и повысить октановое число головных бензиновых фракций при фракционировании в системе подачи топлива.

3. Этанол как кислородсодержащий компонент способствует более полному сгоранию топлива с меньшим выбросом вредных веществ в атмосферу, уменьшению выбросов на 30% и более оксида углерода и более чем на 14 % несгоревших углеводородов, выводу из состава бензина канцерогенного бензола. Этот оксигенат фотохимически менее активен, чем углеводороды, и, следовательно, обладает более низкой смогобразующей способностью.

4. Этанол производится из растительного сырья и является восстанавливаемым энергоресурсом, при его использовании экономия нефтепродуктов составляет до 5 %.

В Казахстане данному вопросу в настоящее время уделяется недостаточное внимание, хотя республика обладает достаточным сырьевым потенциалом для производства спиртов. В Тайыншинском районе Северо-Казахстанской области завершено строительство производственного комплекса "Биохим", предприятия по производству биоэтанола. Планируемый годовой объем производства должен составить около $60 млн., однако, по ряду субъективных причин данный завод до сих пор не может дать промышленной продукции.

Использование спиртов в автомоторных топливах в Республике Казахстан потребует решения ряда технических, экологических и экономических задач, которые связаны с более высокой токсичностью спирта по сравнению с углеводородным топливом и его повышенной коррозионной активностью.

Основной проблемой внедрения в Республике Казахстан бензина, содержащего этанол, является отсутствие гарантий со стороны производителей автомобилей. Казахстан в основном зависит от импортеров автотранспортной техники. В настоящее время в республике имеется только одно реально действующее автосборочное предприятие - завод «Азия Авто», где производится сборка автомобилей «Нива» и «Шкода». Определяющее влияние на количество автотранспортных средств в РК оказывают легковые автомобили, произведенные в странах дальнего зарубежья. Их удельный вес постоянно возрастает - с 61% в 1991 г., а в 2010 г. составил более 80 % .

Дело в том, что применение чистых спиртов влечет за собой повышенную коррозию некоторых видов металлов и пластмасс, затрудняет холодный пуск двигателя. Наличие в спиртах полярной гидроксильной группы обусловливает их более высокую химическую активность по сравнению с традиционными видами топлив. Наличие спиртов в бензине способствует коррозии металлов, особенно цинка, свинца, магния. Во избежание коррозии металлов на бразильских автомобилях, использующих бензино-этанольное топливо, некоторые медные и цинковые детали заменены на никелевые /3/.

Спирты являются хорошими растворителями, агрессивно воздействующими на пластмассовые или резиновые детали топливной системы автомобилей, днища топливных фильтров, изготовленные из полиамида. Высокая растворяющая способность спиртов является причиной образования отложений и загрязнений топливных фильтров.

При использовании спиртов в качестве топлива (или в виде смесей с бензином) имеет место повышенный износ трущихся металлических поверхностей, чем в случае чистых бензинов. При этом более агрессивным является этанол в смеси с бензином, чем метанол; в чистом виде этанол менее агрессивен, чем метанол. Агрессивности спиртов по отношению к металлам значительно увеличивается в присутствии растворенной воды и в еще большей степени в присутствии отделенной от спирта свободной воды. Для защиты топливных баков автомобилей необходимо применять защитное покрытие из сплава олова со свинцом. Также необходимо предусмотреть защиту от коррозии топливных баков автозаправочных станций, для предотвращения попадания бензино-спиртовых смесей в почву и грунтовые воды.

Серьезной проблемой является транспортировка и хранение бензино-спиртовых смесей. Спирты, как известно, смешиваются с бензином, но присутствие воды в спиртосодержащем бензине является причиной фазового разделения. Особенно это проявляется в случае метанола, в меньшей степени - в случае этанола и более высокомолекулярных спиртов. Степень разделения зависит от температуры, содержания спирта в смеси и его обводненности, а также от присутствия в бензине ароматических углеводородов (табл. 1) /3/.

Проблема фазового разделения бензино-спиртовых смесей снимается, если использовать абсолютированные спирты. Однако в реальных условиях хранения и транспортировки бензино-спиртового топлива неизбежно его обводнение за счет попадания воды в топливо различными путями. Основными источниками обводнения являются - влага в транспортных линиях, вода, просачивающаяся в хранилища топлива и конденсирующаяся из воздуха при температурных колебаниях.

Выводы

Использование спиртсодержащих топлив в Республике Казахстан является перспективным направлением в области уменьшения токсичности отработавших газов транспортных ДВС и расширения сырьевых ресурсов моторных топлив. Однако их внедрение требует более глубокой и детальной технической проработки с выработкой нормативной и законодательной базы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Муртазин ЕЖ., Бултеков КУ. О состоянии загрязнения окружающей среды Республики
Казахстан в I квартале 2005 года. Гидрология и экология. 2005 г. КазГидромет. Алматы, 2005г.

2. Казахстан в цифрах // Агентство по статистике РК [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.stat.gov.kz

3. Онойченко С.К Применение оксигенатов при производстве перспективных автомобильных бензинов. М 2003, 64 с