Технологию получения керосина из непищевой биомассы придумали в России

Российские ученые разработали новый подход к синтезу биокеросина — топлива из непищевой биомассы. Полученный SAF-керосин (Sustainable Aviation Fuel) испытали при сжигании в газотурбинной установке по дроссельным характеристикам, уровню звукового давления и концентрациям антропогенных выбросов, а также сравнили характеристики работы двигателя на керосине из нефтяного сырья и биокеросина, сообщили в пресс-службе СО РАН.

Исследователи установили, что новое синтезированное биотопливо отвечает требованиям устойчивой и стабильной работы авиационных двигателей; помимо этого, SAF-керосин соответствует экологическим стандартам Международной организации гражданской авиации (ICAO). 

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

В качестве сырья для производства биокеросина ученые использовали сосновые опилки и лузгу подсолнечника, которые называют непищевой биомассой второго поколения. Их выбор обусловлен отсутствием конкуренции с продовольственным сектором — такое сырье не применяется в пищевой промышленности; помимо этого, снижается углеродный след по сравнению с ископаемым топливом. Оно имеет широкую доступность в России — страна входит в число мировых лидеров по валовому сбору подсолнечника, благодаря чему здесь ежегодно образуются миллионы тонн лузги. Сырье для биотоплива из непищевой массы отвечает требованиям экологической эффективности, технологической доступности и имеет коммерческий потенциал, что делает его перспективным решением для снижения углеродного воздействия на атмосферу от авиационной отрасли. 

Биокеросин предлагается использовать в качестве резервного топлива для авиационных двигателей. Однако, по словам ученых, на данном этапе возможна лишь частичная замена нефтяного керосина на биокомпонент (до 30 %) для соответствия топлива государственным стандартам и минимизации стоимости конечного продукта. Полностью заменить традиционное топливо биокеросином сегодня не получится по причине сложного технологического цикла синтеза SAF-керосина, а также из-за отсутствия готовых решений и производственных мощностей. 

«Процесс получения биокеросина включает три ключевые стадии: газификацию биомассы, синтез по методу Фишера — Тропша (химическая реакция с присутствием катализатора, в которой монооксид углерода и водород преобразуются в жидкие углеводороды) и гидроизомеризацию керосиновой фракции. Именно завершающая стадия является определяющей, поскольку она формирует углеводородный состав топлива и его итоговые эксплуатационные характеристики. Критическим этапом стало создание цеолита SAPO-11 — минерала с пористой структурой и с ультратонкими нанопластинами, что считается достаточно сложной технической задачей, требовавшей тонкого контроля морфологии кристаллов. Разработанный на его основе катализатор изодепарафинизации обеспечил получение биокеросина с высоким содержанием изоалканов, которые являются ценными компонентами, определяющими низкотемпературные свойства и полноту сгорания топлива. Для увеличения выхода керосиновой фракции из синтетической нефти, получаемой в процессе синтеза Фишера — Тропша, был создан гибридный катализатор на основе кобальта на оксиде алюминия и диоксиде кремния, где активным компонентом выступает кобальт. Благодаря тщательно подобранному соотношению компонентов и оптимизированным условиям синтеза (температура, давление, скорость подачи газа) удалось достичь стабильно высокого выхода именно керосиновой фракции с целевыми эксплуатационными характеристиками», — рассказал директор НИИ «Нанотехнологии и новые материалы» Роман Яковенко.

По словам ученых, сегодня есть два пути в использовании биокеросина в авиационной отрасли. Первый — доведение полученного SAF-керосина по физико-химическим свойствам до товарного топлива, которое можно получать в необходимых объемах с учетом экономических особенностей, усложняя химическую технологию получения биотоплива. При этом модернизация существующих авиационных двигателей не потребуется. Второй — не изменять химическую технологию получения топлива, но разработать новый двигатель под новое топливо, что, в свою очередь, займет продолжительное время без гарантии успешности. 

Что касается применения биокеросина в эксплуатирующихся двигателях, то разница в виде топлива может проявиться на любом режиме работы двигательной установки, поскольку многокомпонентное топливо является сложным объектом. Небольшое изменение компонентного состава может привести к существенному изменению интегральных характеристик двигателя. Однако, по наблюдениям специалистов, чаще всего изменения проявляются на малых оборотах двигательной установки, когда полнота сгорания топлива невысокая — до 95 %, и на динамических режимах, когда наблюдаются переходные процессы. 

Биокеросин также имеет преимущества перед керосином, получаемым из нефтепродуктов. По современным требованиям ICAO, помимо требований по снижению вредных выбросов, предъявляются требованию по снижению уровня шума. Поэтому этот параметр также изучался исследователями. Изменение уровня звукового давления связано с изменением компонентного состава топлива и, соответственно, шума при горении такого топлива. Отсутствие ароматических соединений приводит к снижению шума при горении топлива. Вредные выбросы от сжигания биокеросина присутствуют так же, как и при сжигании нефтяного керосина, но в то же время уровень эмиссии вредных выбросов компенсируется путем их поглощения растительностью, которая выступает сырьем для получения биотоплива. Таким образом, достигается замкнутый цикл без образования накопительных вредных газов в атмосфере. 

«Тестирование синтетического авиационного топлива проходило в три этапа. Первый этап заключался в анализе компонентного состава и физико-химических свойств образца топлива. Второй — в анализе физических особенностей стадии подготовки топлива к сжиганию в газотурбинной установке через опыты с испарением и зажиганием капель. На третьем этапе проводили огневые испытания на малогабаритной газотурбинной установке с регистрацией тягово-экономических характеристик, газовых выбросов, сажи и шума. Для проведения огневых испытаний мы использовали стенд для имитации условий функционирования авиационных двигателей в разных режимах работы с заменой традиционных топлив на альтернативные топливные композиции, включая синтетические экологичные авиационные (SAF) топлива. Стенд включает газотурбинные двигатели различной тяговой силы, регулируемую систему подачи авиационного топлива, приборы для измерения мощности, температуры и давления в различных сечениях двигательной установки, а также других характеристик работы двигателей, высокочувствительную полустационарную систему газового анализа выхлопных газов, приборы для измерения интенсивности шума и вибрации. Мы моделировали реальные условия сжигания экологичных синтетических авиационных топлив на газотурбинной установке: от режима холостого хода до крейсерского. Расход топлива составлял 600 мл/мин», — отметил доцент ТПУ Дмитрий Антонов.

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 на 70 %, диоксида серы на 90 %, оксида углерода на 50 % при одновременном уменьшении шума на 10 дБ. 

Несмотря на улучшение экологических характеристик, отмечается снижение тяги на 10 % относительно керосина нефтяного происхождения. Однако при этом наблюдается ключевое преимущество SAF-керосина — повышение стабильности работы двигателя, проявляющееся в отсутствии гистерезиса дроссельной характеристики — запаздывания или несовпадения значений выходного параметра в зависимости от степени открытия заслонки, что обеспечивает плавные переходы между режимами.

Статья об исследовании опубликована в журнале Fuel.