Биодизельное топливо

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………3

ПРОИЗВОДСТВО……………………………………………………………….4

Сырье для производства…………………………………….…………...4

Технология производства………………………………………………11

Экологический аспект производства биодизеля……………….……13

ПРИМЕНЕНИЕ…………………………………………………….………….14

БИОДИЗЕЛЬ В РОССИИ И В МИРЕ………………………..……………...18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………….……………………………………………………23

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА……………..……………………….25

ВВЕДЕНИЕ

По прогнозам  специалистов в ближайшие десятилетия  ожидается дальнейшее снижение производства традиционных источников энергии, в  том числе и добычи нефти. Приводимые в печати сроки исчерпания нефтяных ресурсов в среднем по мировой  нефтедобывающей отрасли составляют около 80 лет с учетом месторождений  континентального шельфа, характеризующихся  относительно высокой стоимостью нефтедобычи. В связи с этим возникла необходимость  в перестройке энергетического  баланса, в развитии полиэнергетики, т.е. системы, базирующейся на использовании нескольких источников энергии, ни один из которых не играет определяющей роли.

Относительно  новый вид экологического чистого  топлива – биотопливо, являющийся также возобновляемым источником энергии, в настоящий момент одна  из основных разработок в этом направлении. 

Биотопливом называется топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки биологических отходов. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород). 

В данном реферате будет подробно рассмотрено  биодизельное топливо, которое является метиловым эфиром, получаемым в результате  химической реакции из растительных  масел и животных жиров. В основу получения топлива положена реакция этерификации. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.  Поэтому биодизель является возобновляемым источником энергии. Он может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания без изменения их конструкции. Возможно применение биодизеля как самостоятельного вида топлива, так и в смеси с обычным минеральным дизельным топливом.

ПРОИЗВОДСТВО

Сырье для производства

Технология  получения биодизеля зависит от используемого в производстве сырья. Возможно использование в качестве сырья для производства биодизеля следующих видов сырья: растительное масло (рапсовое, подсолнечное, пальмовое, соевое и пр.); животный жир; водоросли; резина и пластмасса.

Получение  биодизеля из растительных масел представляет собой реакцию этерификации: к растительному маслу добавляется метанол (этанол) в соотношении приблизительно 9:1 и незначительное количество катализатора (щелочного или кислотного), после чего смесь обрабатывается в кавитационном реакторе.

Масло, содержащееся в семенах и плодах подсолнечника, рапса, сои и др. масличных культур, представляет собой окисленные углеводороды, в основном триглицериды, близкие  по теплоте сгорания к дизельному топливу. Масло выделяется из масличных  культур путем отжима (прессования) и экстрагирования (трихлорэтиленом, гексаном, нефрасом) и очищается нейтрализацией, вымораживанием (подсолнечное масло) и фильтрованием.

Ниже представлены данные по производству масла из различного сырья с одного гектара земли в год.

Табл. 1. Данные по производству масла из различного сырья с одного гектара земли в год [4].

Наиболее  пригодным для получения биодизеля является рапсовое масло. Теоретически можно использовать и подсолнечное масло, но у этого масла высокая температура застывания, что отрицательно сказывается зимой на эксплуатации такого биодизельного топлива.

Рапс (лат. Brassica napus) — вид травянистых растений из семейства Капустные (Крестоцветные). Важное масличное растение; экономическое значение рапса к концу XX века существенно выросло в связи с тем, что он начал использоваться для получения биодизеля.

Относительно места происхождения  рапса до сих пор нет единого  мнения, но во многих странах Европы, Азии, Америки и Северной Африки рапс встречается в одичалом состоянии как сорняк. В России как масличную культуру его начали возделывать с начала XIX в.

Рапс — однолетнее растение длинного дня, холодостойкое, требовательное к влаге и плодородию почвы, хорошо произрастает в умеренной зоне. Размножается рапс семенами.

В настоящее время насчитывают 12 разновидностей рапса. При создании сортов технического направления необходимы сорта, содержащие в своём составе те или иные жирные кислоты. Например, технические масла (гидравлическое и смазочное) и биотопливо должны обладать высоким содержанием эруковой кислоты.

В семенах рапса содержится 35-50% жира, 19-31% хорошо сбалансированного  по аминокислотному составу белка, 5-7% клетчатки. По содержанию жира и  сумме жир+белок он превосходит сою, но уступает подсолнечнику и горчице.

Можно использовать в качестве топлива  для дизелей смеси растительных масел и их эфиров со спиртами (этанол, бутанол и др.), так как эфиры  растительных масел являются сорастворителями между газойлем и спиртом. Однако современные дизели могут работать на таких топливах непродолжительное время. В ходе производства биодизеля получается побочный продукт - глицерин. После очистки глицерин можно использовать для производства технических моющих средств. После глубокой очистки получают фармакопейный глицерин, пользующийся спросом в фармакологии. Добавляя фосфорную кислоту к техническому глицерину, можно получить фосфорные удобрения, которые используют для нужд сельского хозяйства.

Для получения 1 м3 биодизеля необходимо затратить 1 тонну растительного масла, 110 литров метилового спирта (метанол марки "А" согласно ГОСТ 2222-95) и 10 кг каустической соды (гидроксид калия - KOH - согласно ГОСТ 24363-80). При этом на выходе установки, кроме биодизеля, будет получено 100 кг глицерина-сырца (глицерола).

В процессе производства биодизеля на своременном оборудовании в качестве исходного сырья можно использовать отработанное растительное масло после фритюра. Главным требование к такому маслу является небольшое кислотное число (желательно до 1,5%). При кислотном числе масла более 7% необходимо предварительно провести рафинацию масла. Полученный биодизель будет соответствовать европейскому стандарту EN 14214 (при условии соблюдения требований к качеству исходного сырья).

Полученный  биодизель имеет тип B-100, то есть является 100%-м биодизельным топливом. Его можно использовать для заправки грузовиков и тракторов в чистом виде. Для заправки легковых автомобилей чистый биодизель необходимо смешивать с минеральным дизельным топливом. Например, биодизельное топливо, содержащее 10% биодизеля и 90% минерального дизельного топлива, имеет тип B-10.

Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам Департамента Энергетики США с одного акра (4047м² ~ 0,4га) земли можно получить 255 литров соевого масла, или 2400 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно производить до 3570 барреля бионефти (1 баррель = 159 литров). По оценкам компании Green Star Products с 1 акра земли можно получить 48 галлонов соевого масла, 140 галлонов масла канолы и 10000 галлонов из водорослей.

Для производства биодизеля необходимы водоросли, содержащие достаточное количество масла. Такие водоросли можно выращивать как в открытых водоемах (в обычных прудах), так и в специальных биореакторах. Биореакторы занимают меньше площади и из них легче выбирать водоросли для производства биодизеля.

Департамент Энергетики США с 1978 года по 1996 год исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м². Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО₂. Урожайность составила более 50 граммов водорослей с 1 м² в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тыс. гектаров — это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии ещё остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 90-х годов технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.

Кроме выращивания водорослей в  открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи  электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.

  В 2006 году несколько компаний объявили о строительстве заводов по производству биодизеля из водорослей:

• Global Green Solutions (Канада) по технологии компании Valcent Products (США) — мощность производства 4 млн баррелей бионефти в год;
• Bio Fuel Systems (Испания);
• De Beers Fuel Limited (ЮАР) по технологии Greenfuel Technologies Corporation (США) — мощность производства 900 млн. галлонов биодизеля в год (водоросли + подсолнечное масло)
• Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия) — мощность производства 1 млн литров биодизеля в год.

Технология  производства

Растительное  масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60°С и нормальном давлении.

Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований:

1. После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %.
2. Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него.
3. Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.
4. Заключительный этап — сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.
5. Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется — разлагается.

Реакция переэтерификации с метанолом:

Рис. 1 Блок-схема производства биодизеля [1].

Экологический аспект производства биодизеля

Под производство сырья для биодизеля отчуждаются большие земельные площади, на которых нередко используют повышенные дозысредств защиты растений. Это приводит к биодеградации грунтов и снижению качества почв.

С другой стороны, жмых, получаемый в процессе производства растительного масла, используется в качестве корма для скота, что позволяет более полно утилизировать биомассу растения.

Производство биодизеля позволяет ввести в оборот неиспользуемые с/х земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т. д. Например, в России с 1995 г. по 2005 г. посевные площади сократились на 25,06 млн. гектаров. США на свободных землях ежегодно могут выращивать 1,3 млрд тонн биомассы.

При производстве биодизеля в результате реакции этерификации получается смесь, которой дают отстояться. Легкие верхние фракции продукта и являются рапсовым метил-эфиром, или биодизельным топливом. Нижние фракции являются так называемой глицериновой фазой, которую часто неправильно называют глицерином. На самом деле до чистого глицерина её ещё нужно «довести», без чего её хранение и утилизация представляют серьёзную проблему из-за повышенной щелочности и содержания метанола. Те же проблемы возникают при использовании для этерификации этанола. Впрочем, биодизель на этаноле производить менее выгодно из-за большей плотности.

Многие публикации энтузиастов  альтернативных видов топлива посвящены  производству биодизеля кустарным способом. Но такие технологии, кроме проблемы вышеупомянутой глицериновой фазы, не могут также гарантировать надлежащего качества топлива, а, следовательно, и сохранности двигателя. Это объясняется недостаточным очищением такого топлива от различных примесей, которые просто забивают мотор. Кроме того, в случае кустарного производства проблематично закупать метанол, который производят немногие крупные химзаводы. Метанол производится из природного газа, поэтому цена одного из ингредиентов для производства биотоплива оказывается жестко привязанной к ценам на газ, хотя сырьем для метанола может служить также шахтный газ (метан), биогаз и даже водород.

ПРИМЕНЕНИЕ

Биодизель используется, как альтернатива дизельному топливу, а значит применяется в тех же сферах. Например  в автотранспорте, сельском хозяйстве, энергетике, в тепловозах.

Биодизельное топливо применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначается буквой B; число после буквы означает процентное содержание биодизеля. В2 — 2 % биодизеля, 98 % дизельного топлива. В100 — 100 % биодизеля. Применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.

Использование смесей обусловлено в основном высокой стоимостью биодизеля. Другой причиной для применения смеси из биодизеля и ДТ являются неудовлетворительные пусковые свойства двигателя, работающего на биодизеле при низкой температуре.

Биодизель может использоваться в различных целях. Его можно применять в качестве смазывающей добавки (1…2 %) к дизельному топливу с крайне низким содержанием серы, а смесь 20 % биодизеля с 80 % дизельного топлива (B20) обычно служит заменой ДТ, которым, согласно стандарту ASTM, могут быть ДТ1, ДТ2, авиационный керосин или другие продукты переработки нефти. При соответствующей подготовке можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В100).

В настоящее  время B20 - самая распространенная биодизельная смесь в Соединенных Штатах. Считается, что она позволяет удачно сбалансировать требования, связанные с особенностями ДТ, рабочими характеристиками, эмиссией отработавших газов и стоимостью. Эта смесь может использоваться в системах, предназначенных для работы на дизельном топливе, в том числе в дизельных двигателях, нефтяных нагревательных котлах и турбинах, не требуя никаких перерегулировок и переделок.

Применение  смесей с более высоким содержанием  биодизеля (типа B50 или B100) требует специальной подготовки системы управления и может потребовать модификации оборудования, например, применения специальных подогревателей или замены уплотнений и прокладок, которые контактируют с топливом. В целом считается, что: B100 обеспечивает наиболее высокие экологические характеристики.; B20 обеспечивает получение впятеро меньших экологических преимуществ по сравнению с B100, но может широко использоваться на существующих двигателях при незначительной их модификации или вообще без нее; 2-процентная смесь биодизеля с ДТ обеспечивает незначительное улучшение экологических характеристик, но может использоваться как полезная добавка.

С помощью  биотоплива достигается увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Важно отметить, что нет необходимости модернизировать двигатель.

Одной из наиболее важных характеристик ДТ является его способность к самовоспламенению. Эта характеристика определяется величиной  цетанового числа топлива (цетановым индексом). Американское ДТ имеет сравнительно невысокие цетановые числа, в среднем, около 40, а европейское ДТ имеет цетановый индекс 50 ед. Исследования показали, что цетановые числа биодизеля лежат в интервале величин от 45,8 до 56,9 ед.

Табл. 2 Физико-химические показатели биотоплива [3].

Важны исследования экологической стороны использования  биодизеля.  Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.

Сокращение  выбросов СО₂ –еще один положительный момент при применении биодизеля. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. Это также хорошо с точки зрения экологии.

Точка воспламенения  для биодизеля превышает 100 °С, что позволяет назвать биотопливо относительно безопасным веществом.

Однако, кроме плюсов применения биодизеля, описанных выше, есть и отрицательная сторона. Если не использовать смесь В20, то в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос.

Определенные  проблемы создают сроки хранения биодизеля, топливо не хранится более 3 месяцев. А производство топлива занимает дополнительные сельскохозяйственные площади.

Учитывая, что свойства биодизельного топлива еще не достаточно изучены, стандарты на него ограничиваются предельными значениями на процент этерификации, температуру помутнения,температуру застывания, количество общего и свободного глицерина и т.д. Предельные значения на эти показатели выступают в качестве компромисса между требованиями двигателестроителей на топливо без примесей и желанием производителей биодизельного топлива внедрять простые и недорогие технологии производства. Очевидно, что более жесткие стандарты на биодизель приведут к увеличению его стоимости, в то время как более лояльные могут привести к возникновению проблем при эксплуатации дизельных двигателей. Обе возможности будут влиять на восприятие биодизельного топлива на рынке. Существенное влияние на качество биодизельного топлива оказывает его состав, а для изучения зависимости качества биодизеля от его состава и установления жестких стандартов необходимы серьезные дорогостоящие испытания.

В ведущих  странах мира разработаны стандарты  на биодизельное топливо: Германия (DIN V 51606) принят в 1997 году; США (ASTM D-6751) принят в 2002 году; Австрия (ON C 1191) принят в 1997 году; Австралия (FS (B) D) принят в 2003 году; Швеция (SS 155436) принят в 1996 году.

Для биодизеля Европейской организацией стандартов разработан стандарт EN14214. Кроме него существуют стандарты EN590 (или EN590:2000) и DIN 51606. Первый описывает физические свойства всех видов дизельного топлива, реализуемого в ЕС, Исландии, Норвегии и Швейцарии. Этот стандарт допускает содержание 5 % биодизеля в минеральном дизеле; в некоторых странах (например, во Франции) все дизтопливо содержит 5 % биодизеля. DIN 51606 — германский стандарт, разработанный с учетом совместимости с двигателями почти всех ведущих автопроизводителей, поэтому он является самым строгим. Большинство видов биодизеля, производимых для коммерческих целей на Западе, соответствует ему или даже превосходит.

БИОДИЗЕЛЬ В РОССИИ И В МИРЕ

Успешное  развитие данного направления промышленности сдерживается сложностью и недостаточной  изученностью проблемы, а также разобщенностью прилагаемых для ее решения усилий. Объем выпуска этого топлива  в Европе постоянно растет. Оно  предназначено, в основном, для использования  в грузовых автомобилях. Существуют три наиболее крупных центра промышленного  производства этого топлива в  Европе - Австрия, Франция и Германия. Выпуск биодизеля составляет сейчас, соответственно, 7,5%, 0,7% и 0,4% от общего количества потребляемого в этих странах дизельного топлива. В Германии, Австрии и Швеции 100-процентный биодизель применяется на специально приспособленных для этого автомобилях. В среднем потребление биодизеля составляет ~1% от расхода дизельного топлива. Качество биодизеля достигло высокого уровня, который удовлетворяет требованиям европейского стандарта EN 14214, американского стандарта D-6751-02 и др.

На данный момент в мировом производстве биодизеля ведущую роль играет Европа. Это подтверждается сводными таблицами по количеству производства за последние годы:

 Табл. 3 Сводная статистика по количеству производства биодизеля (Европа) [4]

Табл. 4 Сводная  статистика по количеству производства биодизеля (Америка) [4]

Во многих странах существуют и действуют  программы, которые определяют требования к стандартам использования и  развитию биодизеля:

Табл. 5 Действующие  биодизельные программы [4]