Химико-энергетические процессы в природе и технике

(альтернативные виды топлива, «зеленая химия»)

В живой природе все объекты находятся в потоке непрерывного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Основу обмена составляют взаимосвязанные и сбалансированные процессы ассимиляции и диссимиляции, те. Процессы синтеза сложных веществ в организме и разложения их на более простые с выделением энергии соответственно.

Существенная доля электроэнергии производится на тепловых электростанциях, на которых ископаемое топливо используется для получения тепла и пара, подаваемого на турбогенераторы, вырабатывающие электроэнергию. Топливом служит уголь, нефть или природный газ, а на атомных станциях – ядерное горючее, выделяющее тепло при делении ядер.

Принципы работы различных тепловых станций во многом совпадают и отличаются способом получения тепла от первичного источника – органического либо ядерного топлива. В результате сжигания топлива или ядерных реакций выделяется тепло, используемое для нагревания воды и получения пара (рис. 10.3). Полученный пар с высокими температурой и давлением подается на турбину, вращающую якорь генератора электрического тока. Отработанный пар с пониженными температурой и давлением, покидая турбину, направляется в конденсатор, через который пропускается охлаждающая вода для превращения пара в воду. В процессе конденсации пара охлаждающая вода нагревается, эта вода сбрасывается в водоем, откуда она забиралась, либо пропускается через градирни для охлаждения и повторного использования в конденсаторе. Вода, образовавшаяся из сконденсированного пара, возвращается в котел, и описанный выше цикл повторяется.

Рис. 10.3. Схема тепловой электростанции

На современной топливной станции с КПД около 40%, работающей на угле, на каждую единицу произведенной электрической энергии теряется 1,5, а на атомной станции 2,33 единицы тепла. Тепловые сбросы на атомных электростанциях передаются в основном воде, охлаждающей конденсаторы. На электростанциях на органическом топливе охлаждающей воде передается около 75% тепловых отходов, а остальное неиспользованное тепло отводится через дымовые трубы.

Громадное количество производимой электрической энергии неизбежно влечет за собой сброс чрезвычайно больших объемов тепловых отходов в окружающую среду: реки, водоемы и атмосферу. Сбрасываемое тепло приводит к тепловым загрязнениям окружающей среды. Тепловое загрязнение (преимущественно воды) сопровождает процесс охлаждения открытого типа, при котором охлаждающая вода поступает из внешнего резервуара (бассейна реки, водоема) и затем в нагретом состоянии после использования для конденсации пара возвращается опять в тот же резервуар, откуда она забиралась. Охлаждение другого типа – с замкнутым циклом, когда тепло, получаемое охлаждающей водой, рассеивается в атмосфере при помощи градирен (башен, в которых вода охлаждается путем разбрызгивания и испарения) – приводит к тепловому загрязнению в основном атмосферы. Результаты исследований показывают, что тепловое загрязнение и воды, и атмосферы нарушает жизнедеятельность экосистем. Кроме того, тепловые электростанции – источник колоссального количества углекислого газа, двуокиси серы и других газов, загрязняющих атмосферу. Все это означает, что производство энергии на тепловых станциях – не самый лучший и эффективный способ производства энергии. В этой связи продолжается поиск более эффективных источников энергии.

Технологий производства биотоплива несколько. Одна из них – это переработка сельскохозяйственных отходов в топливо. Сырьем, для этого процесса, могут служить и куски древесины, и солома, и навоз. Производство именно такого топлива, получившее название SunDiesel, начала немецкая химическая компания Choren Industriers при поддержке концернов DaimlerChrysler и Volkswagen.

После сушки отходы нагреваются до 400-500°С, выделившийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализатора – и на выходе из реактора получается дизельное топливо без содержания серы и других вредных примесей. Кроме того, биодизельное топливо «СО₂-нейтрально» по отношению к окружающей среде – при его сгорании в атмосферу возвращается та углекислота, что была поглощена растениями при росте.

Чистота такой биосолярки тоже играет положительную роль – испытания показали, что она позволяет выполнять нормы токсичности Евро 4 даже тем двигателям, которые рассчитаны только на Евро 3. Конечно, пока литр «солнечной» солярки дороже обычной.

По оценкам авторов проекта, нынешние возможности сельского хозяйства Европы способны обеспечить таким топливом от половины до 80% всех легковых дизелей.

Еще один способ получения биологического дизельного топлива – растительное сырье. Тем более идея получать его из растительного сырья была озвучена еще Рудольфом Дизелем! В 1900 году он даже продемонстрировал двигатель, работавший на горючем из арахисового масла.

Основой для биодизельного топлива служат различные компоненты, чаще всего соя, рапс, хлопок, а в последнее время ятрофа – это южноамериканское растение еще называют бутылочным деревом. Технология в общих чертах такова: семена растений проходят через маслобойку, в которой масло отделяется от шрота – отходов маслоэкстракционного производства. Затем масло смешивают с метанолом, применяя в качестве катализатора метоксид натрия. Полученную смесь очищают – горючее готово.

Рис. 10.4. Схема производства биотоплива

В процессе производства «биодизеля» из сырья выжимают масло, очищают от вкраплений; полуфабрикат нагревают, охлаждают и дистиллируют: 1 – низкотемпературный газовый генератор; 2 – высокотемпературный реактор; 3 – пылевой фильтр; 4 – теплообменник; 5 – подача воды; 6 – сепаратор; 7 – многотрубочный реактор; 8 – газовый компрессор; 9 – конденсор; 10 – система охлаждения; 11 – нагреватель; 12 – дистилляционная емкость; 13 – газовый электрогенератор; 14 – резервуар с готовым топливом

В данный момент наиболее предпочтительным сырьем для производства биодизеля является рапс, которое как сорняк растет где угодно, единственный нюанс – его надо вовремя собрать. Урожайность рапса достигает 20-25 центнеров с гектара. Но пока его только добавляют в дизельное топливо, поскольку рапсовое масло в чистом виде как топливо не используется. Из-за более высокой вязкости (почти в 20 раз выше по сравнению с дизельным горючим) требуется другая топливная аппаратура и изменение камеры сгорания. Масло смешивают с метанолом и получают метиловый эфир, иначе называемый «маслометанольная смесь». Из тонны получается 350 килограммов такой смеси. Для получения биодизеля в солярку добавляют 30% маслометанольной смеси. Вместо ядовитого метилового спирта рапсовое масло можно смешивать с этиловым (пищевым) спиртом.

Интересно, что в ходе переработки масла в биодизель получают ряд дополнительных продуктов, пользующихся спросом (например, глицерин, сульфат калия).

Плюсы:

· Экономический аспект. Страны, где нефти нет либо крайне мало, готовы платить зеленым сырьем (а не долларом) за энергетическую независимость!

· «Биодизель» практически не содержит серы и канцерогенного бензола. Разложение этого топлива происходит в естественных условиях без вреда для природы, а в процессе сгорания в двигателе выбросы в атмосферу СО₂ на 50-80% ниже, чем при работе на традиционном минеральном дизтопливе;

· Растительное топливо отличает хорошая воспламеняемость, поскольку его цетановое число достигает 58, тогда как этот показатель для традиционной солярки не превышает 52. Иными словами, зажечь биодизельное топливо легче, но, увы, сгорает оно с меньшей теплоотдачей (см. таблицу);

· Запасы сырья могут возобновляться ежегодно, культура не требует особого ухода в процессе выращивания;

· В ходе переработки масла получают дополнительные продукты (глицерин, сульфат натрия);

Минусы:

· Себестоимость производства выше, чем бензина и дизтоплива;

· Требуются дополнительные площади сельскохозяйственных земель;

· Эфиры рапсового масла обладают значительной коррозионной активностью. Это чревато потерей стойкости резиновых прокладок и сальников, образованием твердых отложений в форсунках и жиклерах, забитыми топливными фильтрами и отказавшими насосами высокого давления;

· Высокое содержание в «растительном» выхлопе окиси азота NOx. Содержание NOx в выхлопе в сравнении с обычным дизельным топливом на 10% больше, а в ходе эксперимента инженеры Volvo доказали, что эта разница может достигать 40%;

· Борьба с токсичностью приводит и к потере мощности, а ее компенсирует больший расход топлива;

Таблица 10.1. Сравнительные характеристики отдельных видов топлива

Но технологии не стоят на месте. Так, норвежские компании–производители газетной бумаги планируют построить в течение пяти-шести лет завод по переработке древесных опилок и получать чистую «биосолярку» нового поколения.

Оригинальное направление выбрали американские ученые из университета Айовы, намеревающиеся привлечь нанотехнологии. Они предложили использовать мельчайшие частицы – наносферы, которые отличает пористая структура. В ходе химической реакции поры заполняет катализатор, что ускоряет процесс, а необходимая обычно процедура очищения становится лишней.

Третий вид биологического топлива – синтетическое горючее.

Современные технологии переработки углеводородов позволяют производить синтетическое дизельное топливо и синтетический бензин. В качестве сырья используются отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства и даже бытовой мусор. Особенности разработанных технологических процессов заключаются в том, что из одного и того же сырья могут получаться различные виды топлива.

Еще во время Второй мировой войны немцы учились не зависеть от нефти. С помощью синтеза Фишера-Тропша они добывали из каменного угля синтетическое топливо. Уголь измельчали, помещали в воду и нагревали до 800 градусов, после чего проводили каталитическую реакцию и конденсировали газообразные углеводороды в ректификационной трубе.

А еще во время войны ездили грузовики на дровах. Дрова, сгорая в условиях высокой влажности и недостатка кислорода, выделяли «синтезгаз», который и приводил в движение дизельные моторы. Но после войны производство заморозили из-за нерентабельности - нефть тогда была дешевой.

Первое в мире синтетическое дизельное топливо, в 2003-м году, разработала корпорация DaimlerChrysler.

Новое топливо, которое разработчики назвали BIOTROLL, производится из древесных отходов, а при его сгорании в атмосферу вообще не выбрасывается углекислый газ.

Биотопливо можно смешивать с обычной соляркой, улучшая экологические показатели дизельных двигателей, однако пока не получены точные данные о том, возможна ли эксплуатация современных дизельных двигателей только на новом виде топлива без проведения каких-либо доработок.

Первая заправка, на которой можно пополнить баки новым топливом, уже функционирует в Штутгарте.

Плюсы:

- можно получить требуемые характеристики топлива;

- в синтетическом дизтопливе отсутствует сера;

- выбросы вредных веществ ниже, чем при использовании «нефтяного» горючего;

- запасы сырья неограниченны.

Минусы:

- высокие затраты энергии для производства горючего;

- необходимы значительные вложения средств для создания предприятий по выпуску синтетического топлива и создание структуры накопления, поставки и подготовки сырья.

Вопросы и задания для закрепления знаний:

1. Нозовите отрасли промышленности, в которых химичекая наука играет основную роль.

2. Каковы особенности воды как сырьевого русурса?

3. Используют ли традиционные материлы в химических технологиях?

4. В чем сложности создания новых материалов, пригодных для хранения информации?

5. На каких химических явлениях основано производство новых видов топлива?

Лекция 11.