Российские ученые получили биокеросин из сосновых опилок и лузги подсолнечника

Российские ученые разработали новый подход к получению биокеросина из сосновых опилок и лузги подсолнечника. Топливо испытали на газотурбинной установке: исследователи оценили характеристики работы двигателя, выбросы и шум, а затем сравнили результаты с показателями нефтяного керосина. Работа опубликована в журнале Fuel.

В проекте участвовали специалисты Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, Томского политехнического университета, Южно-Российского государственного политехнического университета им. М. И. Платова, Института нефтехимии и катализа Уфимского ФИЦ РАН и НИИ «Нанотехнологии и новые материалы». Исследование выполнено в рамках работы Научного центра мирового уровня «Теплофизика и энергетика».

Сырье — отходы деревообработки и переработки подсолнечника

Сосновые опилки и лузга подсолнечника относятся к непищевой биомассе второго поколения. Их использование для производства топлива не конкурирует с продовольственным сектором. Еще один аргумент в пользу такого сырья — его доступность: Россия входит в число мировых лидеров по валовому сбору подсолнечника, при переработке которого ежегодно образуются миллионы тонн лузги.

Полученный продукт исследователи относят к SAF — Sustainable Aviation Fuel, или устойчивому авиационному топливу. При этом полностью заменить им нефтяной керосин на нынешнем этапе нельзя. По оценке авторов работы, для соблюдения государственных стандартов и ограничения стоимости конечного продукта возможна частичная замена — с долей биокомпонента до 30 %. Более широкое применение сдерживают сложность синтеза, отсутствие готовых промышленных решений и производственных мощностей.

Как из биомассы получают керосин

Технология включает три основные стадии: газификацию биомассы, синтез Фишера — Тропша и гидроизомеризацию керосиновой фракции. При синтезе Фишера — Тропша монооксид углерода и водород в присутствии катализатора преобразуются в жидкие углеводороды. На заключительной стадии формируется состав топлива, от которого зависят его эксплуатационные свойства.

По словам директора НИИ «Нанотехнологии и новые материалы», кандидата технических наук Романа Яковенко, одной из наиболее сложных задач стало получение пористого материала SAPO-11 с ультратонкими нанопластинами. Для этого потребовался точный контроль морфологии кристаллов. Катализатор изодепарафинизации на его основе позволил получить биокеросин с высоким содержанием изоалканов — компонентов, важных для низкотемпературных свойств и полноты сгорания топлива.

Для увеличения выхода керосиновой фракции при синтезе Фишера — Тропша ученые также создали гибридный катализатор на основе кобальта, оксида алюминия и диоксида кремния. Соотношение компонентов, температуру, давление и скорость подачи газа подбирали так, чтобы повысить выход нужной фракции и обеспечить целевые свойства топлива.

Как испытывали топливо

Испытания прошли в три этапа. Сначала специалисты изучили компонентный состав и физико-химические свойства образца. Затем проверили испарение и зажигание капель — процессы, от которых зависит подготовка топлива к сжиганию. На заключительном этапе провели огневые испытания на малогабаритной газотурбинной установке, измеряя тягово-экономические характеристики, газовые выбросы, сажу и шум.

Как рассказал доцент Томского политехнического университета, кандидат физико-математических наук Дмитрий Антонов, стенд позволяет имитировать работу авиационных двигателей на разных режимах и заменять традиционное топливо альтернативными составами. Во время эксперимента исследователи моделировали режимы от холостого хода до крейсерского. Расход топлива составлял 600 мл/мин.

На стенде контролировали мощность, температуру и давление в разных сечениях установки, состав выхлопных газов, интенсивность шума и вибрации. Это позволило оценить не только характеристики самого топлива, но и поведение двигателя при его использовании.

Меньше выбросов и шума, но ниже тяга

По данным исследователей, в проведенных испытаниях выбросы оксидов азота снизились на 70 %, диоксида серы — на 90 %, оксида углерода — на 50 % по сравнению с нефтяным керосином. Уровень шума уменьшился на 10 дБ. Авторы работы также сообщают о соответствии полученного топлива экологическим требованиям Международной организации гражданской авиации (ICAO).

При этом тяга снизилась на 10 %. Одновременно ученые отметили более стабильную работу двигателя: при испытаниях не наблюдалось гистерезиса дроссельной характеристики — несовпадения параметров при переходе к одному и тому же режиму с увеличением и уменьшением подачи топлива. По оценке исследователей, это способствует плавным переходам между режимами.

Что требуется для применения в авиации

Исследователи рассматривают два пути дальнейшей работы. Первый — совершенствовать технологию получения биокеросина, доводя его свойства до требований товарного топлива и обеспечивая необходимые объемы производства с учетом экономики процесса. В этом случае модернизация существующих авиационных двигателей не потребуется. Второй — разрабатывать двигатель под новый состав топлива, не меняя технологию его производства. Этот путь потребует значительного времени и не гарантирует успеха.

Отдельная задача — проверить поведение биокеросина на разных режимах работы двигателя. По наблюдениям специалистов, различия между топливами чаще проявляются на малых оборотах и при переходных процессах. Поэтому результаты стендовых испытаний подтверждают перспективность разработки, но не снимают технологических и производственных ограничений ее применения.

Фото: пресс-служба ТПУ