Об этом сообщило официальное издание Сибирского отделения Российской академии наук «Наука в Сибири».
Испытания подтвердили, что полученное топливо отвечает экологическим стандартам Международной организации гражданской авиации (ICAO).
Биокеросин имеет преимущества перед авиатопливом, которое производят из нефтепродуктов.
Вредные выбросы при сжигании биокеросина присутствуют так же, как и при сжигании нефтяного керосина. Однако уровень эмиссии вредных выбросов компенсируется за счет их поглощения растительностью, которая выступает сырьем для получения биотоплива. Так достигается замкнутый цикл без образования накопительных вредных газов в атмосфере.
Актуальные требования ICAO включают не только снижение вредных выбросов, но и уменьшение уровня шума.
Снижение уровня шума с SAF
Изменение уровня звукового давления связано с изменением компонентного состава топлива и, соответственно, шума при его горении. В SAF существенно меньше ароматических соединений (бензол, толуол, нафталин и их производные), которые влияют на акустические характеристики процесса горения в камере сгорания газотурбинного двигателя.Физические и химические механизмы влияния ароматических соединений на шум:
- более интенсивное сажеобразование и локальные пики температуры. Сажа излучает тепло в виде инфракрасного излучения, из‑за чего возникают резкие локальные перегревы в отдельных зонах пламени. Эти неоднородности вызывают быстрое изменение давления в камере. Акустический шум - это и есть колебания давления;
- из‑за сложного механизма окисления ароматических молекул фронт пламени становится менее стабильным, появляются пульсации тепловыделения. Такие пульсации напрямую генерируют акустические волны - их еще называют «шум горения»;
- Изменение скорости и характера выгорания капель. Ароматические соединения повышают плотность и вязкость топлива, влияя на испарение капель. Это меняет распределение топлива в зоне горения, приводя к локальным переобогащённым или переобеднённым участкам, которые являются источником нестабильности и шума;
- ароматические соединения усиливают высокочастотные составляющие шума (порядка нескольких килогерц), которые особенно неприятны человеческому уху.
Есть нюанс.
Ароматические соединения нужна для обеспечения плотности топлива. Если по простому, то в жидкой фазе молекулы ароматических соединений - плоские кольцевые структуры, укладываются плотнее, чем длинные «разветвлённые» или прямые цепи алканов. Это повышает массу на единицу объёма.
А еще ароматические соединения нужны для совместимости с эластомерами (уплотнениями), для предотвращения износа топливной аппаратуры.
Вот почему при производстве топлива нужен компромисс между экологией, шумом, стабильностью и совместимостью.
Кстати, шум двигателя - это не только шум горения, но и шум вентилятора и шум турбины.
Технология получения SAF из лузги и опилок методом Фишера - Тропша
Для производства биокеросина ученые использовали сосновые опилки и лузгу подсолнечника. Такое сырье относят к непищевой биомассе второго поколения. Его выбор обусловлен отсутствием конкуренции с продовольственным сектором: оно не применяется в пищевой промышленности. Помимо этого, снижается углеродный след транспорта по сравнению с ископаемым топливом.Биотопливо второго поколения производят из непищевого растительного сырья, включая отходы сельского хозяйства и лесопереработки. Сосновые опилки и лузга подсолнечника относятся к лигноцеллюлозному сырью, пригодному для термохимической переработки в синтетические углеводороды.
Сырье широко доступно в России. Страна входит в число мировых лидеров по валовому сбору подсолнечника, благодаря чему здесь ежегодно образуются миллионы тонн лузги. Сырье для биотоплива из непищевого растительного сырья отвечает требованиям экологической эффективности, технологической доступности и имеет коммерческий потенциал. Это делает его перспективным решением для снижения углеродного воздействия на атмосферу от авиационной отрасли промышленности.
В других странах, где опилок меньше и совсем нет лузги активно внедряется топливо eSAF. Это синтетическое SAF, производимое по технологии синтеза Фишера - Тропша с использованием возобновляемого водорода и углерода, полученного не из традиционного ископаемого сырья или растительного сырья, а из углекислого газа.
В России разработаны 2 технологии получения SAF из сосновых опилок и лузги подсолнечника:
- через газификацию и синтез Фишера-Тропша. Разработчики - учёные из университетов городов Новосибирска, Томска, Уфы и Новочеркасска;
- через пиролиз и совместную переработку с нефтяным сырьём. Разработчики - ученые РГУНиГ им. Губкина.
Технологический процесс получения биокеросина с помощью технологии Фишера - Тропша включает три основных операции:
- газификация биомассы;
- синтез жидких углеводородов по технологии Фишера - Тропша (химическая реакция с присутствием катализатора, в которой монооксид углерода и водород (газ) преобразуются в жидкие углеводороды);
- гидроизомеризация керосиновой фракции. Для этого этапа специалисты создали катализатор на основе цеолита SAPO-11.
Тестирование технологии
Полученный SAF-керосин специалисты испытали при сжигании в газотурбинной установке по дроссельным характеристикам, уровню звукового давления и концентрациям антропогенных выбросов. Они также сравнили характеристики работы двигателя на керосине из нефтяного сырья и биокеросине. В результате исследователи установили, что новое синтезированное биотопливо отвечает требованиям устойчивой и стабильной работы авиационных двигателей.Тестирование синтетического авиационного топлива включало три этапа. Сначала анализировали состав и физико-химические свойства. Затем изучали особенности подготовки топлива к сжиганию - проводили опыты с испарением и зажиганием капель.
На третьем этапе выполняли огневые испытания на малогабаритной газотурбинной установке. В ходе испытаний фиксировали тягово-экономические характеристики, выбросы, сажу и шум. Испытания проводили на стенде, имитирующем работу авиадвигателей в разных режимах.
Доцент Томского политехнического университета Д. Антонов сообщил, что специалисты моделировали реальные условия сжигания экологичного синтетического авиационного топлива на ГТУ - от режима холостого хода до крейсерского. Расход топлива составлял 600 мл/мин.
В результате испытаний на огневом стенде ученые подтвердили перспективность применения разработанного топлива в газотурбинных установках. По словам исследователей, SAF-топливо обеспечивает значительное улучшение экологических показателей. Снижение выбросов оксидов азота достигает 70%, диоксида серы - 90%, оксида углерода - 50%. Одновременно шум уменьшается на 10 дБ ( для уха - это уменьшение громкости почти в 2 раза).
Несмотря на улучшение экологических характеристик, отмечается снижение тяги на 10% относительно керосина нефтяного происхождения. И понятно, почему - меньше ароматики. При этом наблюдается ключевое преимущество SAF-керосина - повышение стабильности работы двигателя. Оно проявляется в отсутствии гистерезиса дроссельной характеристики - запаздывания или несовпадения значений выходного параметра в зависимости от степени открытия заслонки. Это обеспечивает плавные переходы между режимами.
Официоз
В разработке участвовали сотрудники Института теплофизики им. С. Кутателадзе СО РАН, Томского политехнического университета, Южно-Российского государственного политехнического университета им. М. Платова, Института нефтехимии и катализа Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук и Научно-исследовательского института Нанотехнологии и новые материалы.Автор: А. Шевченко
































