Моторное биотопливо из целлюлозного порошка

Концепция «порошкового моторного биотоплива» позволяет получить дешевое и доступное возобновляемое топливо для двигателей. Порошковое биотопливо предусматривает использование твердой растительной клетчатки в форме плотного лекгосыпучего порошка из микрокристаллической целлюлозы и сжигаемого в циллиндрах поршневых двигателей. Это новый шаг в развитии биотопливной индустрии.

Постоянно возрастающий дефицит нефти и экологические проблемы связанные с ископаемым топливом вынуждают разработчиков к поискам доступной и экологически чистой альтернативы нефтяному горючему.
Подходящим заменителем нефти может служить возобновляемое топливо растительного происхождения. Один из самых распространенных и широко доступных типов биологического топливного сырья - растительная клетчатка, состоящая в основном из полисахарида - целлюлозы. Суммарный прирост сухой растительной биомассы на порядок превосходит все потребляемые ископаемые энергоносители, включая уран, что позволяет использовать целлюлозное биотопливо в промышленных масштабах, не нанося ущерб экосистеме, при условии грамотной эксплуатации природных ресурсов не причиняющих необратимого ущерба экосистеме.
В перспективе растительная клетчатка могла бы занять в промышленности нишу естественного возобновляемого углеводородного ресурса.
Сейчас биотопливо медленно, но уверенно входит в оборот, но в основном в качестве твердого котельного топлива, в виде щепы, брикетов или топливных гранул (пеллет). Твердое битопливо в ряде регионов стоит меньше, чем нефтяное топливо, это благоприятствует его распространению. Несколько сложнее обстоят дела с топливом для двигателей, из-за того, что большинство традиционных моторов рассчитаны на жидкое горючее и из-за высоких производственных затрат, стоимость жидкого растительного биотоплива балансирует на грани рентабельности при текущих ценах на нефть.
Высокая стоимость жидкого моторного биотоплива препятствует его широкому распространению. Хотя в перспективе с появлением способов прямого синтеза жидкого топлива из целлюлозы, возможно, оно станет дешевле, но радикальное падение стоимости синтетического горючего маловероятно, к тому же технологии прямого синтеза сейчас только на стадии экспериментов.
Значительно снизить стоимость моторного биотоплива позволяет отказ от химической переработки растительной клетчатки и использование ее в твердом виде. Но большинство современных силовых установок не рассчитаны на потребление твердого топлива. На топливных гранулах могут работать только судовые паротурбинные или паровые двигатели. Наибольшая доля потребления топлива приходится на автомобили, двигатели внутреннего сгорания в принципе не могут работать на гранулированном топливе, а серийных паровых автомобильных двигателей нет, и их создание может потребовать очень больших инвестиций.
Сделать твердое топливо пригодным для ДВС, позволяет его предварительная газификация. Автомобили с газогенераторами на растительном топливе были широко распространены в первой половине прошлого века, но позже от газогенераторов отказались. Из за большой массы и габаритов газогенераторов, низкой эффективности и сложности в эксплуатации газогенераторные автомобили, очевидно, проигрывали машинам на жидком топливе, несмотря на дешевизну и доступность растительного топлива.

Порошковое биотопливо
Топливные системы современных автомобилей должны быть легкими и компактными, для жидкостных двигателей простота и компактность топливных систем достигается за счет текучести топлива. Неподатливое традиционное твердое топливо невозможно перемещать по топливопроводам с такой же легкостью как жидкость. Но твердое топливо не обязательно должно состоять из крупных частиц, твердое топливо может иметь вид порошка. Как известно порошки, особенно мелкодисперсные почти такие же податливые вещества, как и жидкости. "Псевдотекучесть" лекгосыпучих порошков придает порошковому твердому топливу аналогию с жидкостью, и соответственно топливная система рассчитанная на порошок имеет те же достоинства что и жидкостная.
Плотный легкосыпучий порошок сложно получить из целлюлозы методом механического измельчения. Целлюлоза - волокнистое вещество и порошок, полученный истиранием, имеет высокую вязкость и низкую плотность, которая к тому же не постоянная.
Но химическая модификация целлюлозы, разрывающая длинные полимерные цепочки ее молекул, позволяет получить так называемую - "микрокристаллическую целлюлозу". Микрокристаллическая целлюлоза - "МКЦ", вещество больше похожее по консистенции на крахмал, чем на клетчатку. МКЦ не имеет механической прочности и вязкости природной целлюлозы, смешиваясь с водой, она образует однородную суспензию или коллоидный раствор, в твердом состоянии легко измельчается. В отличие от порошковой клетчатки измельченная МКЦ имеет консистенцию плотного легкосыпучего порошка, похожего на крахмал, пудру, или какао порошок.

Принцип действия
Легкосыпучий порошок МКЦ может течь по топливопроводам подобно жидкости, что позволяет сконструировать порошковую топливную систему мало отличающуюся от жидкостной.
Порошковая топливная система так же как жидкостная состоит из топливного бака, топливопроводов, и системы подачи топлива, подающей топливную пыль внутрь цилиндров. В отличие от жидкостной топливной системы, порошковая имеет два бустерных насоса на выходе из бака, на входе в двигатель, и большую толщину топливопровода, выстланного изнутри антифрикционным фторопластовым покрытием. Для подачи топлива в двигатель служит механический дозатор - распылитель, работающий от привода системы распределения.
Для распыления порошкового топлива служит - "газоструйная система распыления", распыляющая и воспламеняющая порции порошка струями горячего сжатого воздуха. Сжатый воздух аккумулируется в небольших камерах, куда поступает во время начала рабочего хода. Для пуска двигателя может использоваться сжатый газ из баллонов или химический газогенератор на концентрированном растворе перекиси - 60% или нитрата гидроксиламмоия. Но для пуска двигателя можно использовать вспомогательное жидкое горючее, что автоматически решает проблему с резервным источником газа для газоструйной системы распыления.
Одно из достоинств газоструйной системы распыления в способности с одинаковой эффективностью распылять и воспламенять как порошковое топливо, так и жидкое горючее: бензин, дизельное топливо, сырую нефть, мазут, растительное масло, водно-масляные эмульсии или водно-спиртовые растворы. Это позволяет создать на ее основе удобный в эксплуатации многотопливный двигатель.

Способ получения
Микрокристаллическую целлюлозу из клетчатки можно получить раз разными способами, в производстве МКЦ для медицинских целей обычно используется гидролиз сильными минеральными кислотами. Медицинскую МКЦ служащую инертным наполнителем для таблеток и пищевым абсорбентом получают гидролизом хлопка в соляной кислоте.
Более эффективным методом деструкции может служить окисление азотной кислотой. Азотная кислота сильный окислитель, она не просто разрушает молекулярную структуру целлюлозы, а буквально сжигает некоторые молекулы, легко разрывая полимерные цепи. Гидролиз азотной кислотой более быстрый и удобный для промышленных целей, но требует дорогого кислотоупорного оборудования.
Другой способ гидролиза целлюлозы - химическая деструкция методом окисления, приводящая к разрыву полимерных молекул без сильных кислот. Окислителями могут служить химические вещества, такие как перекись или атмосферный кислород. Интенсивность окисления усиливают примеси щелочей, способствующие химическому превращению части молекул целлюлозы в остатки кислоты. Окислению кислородом воздуха могут способствовать примеси оксидов с промежуточными степенями окисления, способные отдавать кислород молекулам кислорода и катализаторы способствующие окислению целлюлозы. Гидролиз целлюлозы методом каталитического окисления не освоен, но он может быть более удобен благодаря отсутствию в производственном цикле сильных кислот.
Гидролиз целлюлозы можно проводить методом термохимической деструкции в высококипящих растворителях, с примесями расходуемых реагентов, реагирующих с молекулами целлюлозы разрывая полимерные цепи. Этот способ не освоен, но он может быть очень удобен для синтеза МКЦ на малых производственных линиях частных производителей, за счет своей простоты.

Новое направление биотопливной отрасли
Новые технологии синтеза микрокристаллической целлюлозы и модернизированные двигатели, потребляющие порошковое топливо могут послужить основой нового направления биотопливной индустрии. Сейчас это набор вероятных технологий и методов, которые не прошли стадию отбора и опытно конструкторских работ, на стадии обобщенной теории - концепции, но очевидная выгода этого направления позволяет рассчитывать на его дальнейшее развитие.
Предлагаемая автором концепция порошкового моторного биотоплива позволяет сгладить противоречия, возникающие при переходе транспорта на биотопливо. Производственные затраты на химическую модификацию биоклетчатки для получения порошка МКЦ значительно меньше, чем на получение синтетического или биологического жидкого горючего из биологического сырья. Соответственно стоимость порошкового биотоплива должна быть в два-три раза меньше жидкого, что может способствовать массовому переходу транспорта на возобновляемые энергоносители. Использование твердого биотоплива в форме порошка не требует создания принципиально нового двигателя, что связанно с большими и долгосрочными инвестициями, а позволяет модернизировать серийные автомобили. Дооснащение автомобильей порошковыми топливными системами относительно дешево. Его приблизительная стоимость должна быть от тысячи до нескольких тысяч долларов, в зависимости от типа автомобиля, что делает его инвестиционно привлекательным.
Порошковое биотопливо – экологически чистое, и сырье для его производства повсеместно доступно, что позволяет избегать фондоемких промышленных объектов при развитии порошковой топливной индустрии.
Другое преимущество порошкового биотоплива в его эксплуатационной безопасности. Не токсично, пожароо и взрывоопасность не на много выше дров, хотя распыленный в воздухе порошок может быть взрывоопасным.
Основные недостатки концепции порошкового биотоплива в ее не отработанности, необходимости затрат на инфраструктуру, большая конкуренция со стороны других направлений альтернативного моторного топлива.
Новизна концепции порошкового топлива и как следствие отсутствие опыта работы с аналогичными топливными системами может служить источником множества мелких недостатков в изделиях первого поколения, хотя проблемы возникающие в процессе отработки технологии решаемые и появление принципиальных камней преткновения маловероятно.
Порошковое топливо потребует создания инфраструктуры для транспортировки, хранения и продажи. Существующую жидкостную инфраструктуру, трубопроводы, емкости, заправочные станции, под порошок переделать невозможно, что потребует дополнительных затрат.
Концепцию порошкового биотоплива могут сильно потеснить конкурирующие направления, такие как принципиально новые энергоносители, сжатый воздух, водородное топливо, если удастся решить проблему хранения. Новые технологии производства синтетического топлива, прямой синтез жидкого горючего из биологического сырья, или новые биологические технологии синтеза. Конкуренцию порошковому топливу со стороны жидкого или газообразного горючего обостряет их всесторонняя освоенность и наличие инфраструктуры. Конкурентным направлением может быть новое поколение газогенераторов на биотопливе, более легких и компактных, принципиальных препятствий в этом направлении нет и его практическая реализация дешевле. Модифицированные газогенераторы могут составить сильную конкуренцию концепции порошкового биотоплива, несмотря на то, что их КПД ниже.
Биоклетчатка в форме порошка МКЦ может служить не только альтернативным моторным топливом, но и найти более разнообразное применение в качестве топлива и химического сырья, так как плотный сыпучий порошок во всех отношениях удобнее для промышленности естественных продуктов из клетчатки, играя роль естественного углеводородного сырья способного конкурировать с нефтью.