РОЗДІЛ 26. Біодизельне паливо

Технологія отримання біологічного палива (переважно з ріпакової, соєвої або пальмової олії) заснована на ефекті зміни їх фізико - хімічних характеристик за рахунок імпульсного багатофакторного енергетичного впливу. Традиційна технологія отримання біологічного палива для дизельних двигунів заснована на реакції етерифікації рослинної олії і метилового (етилового) спирту і отримання метилових ефірів. Найбільш придатною для тримання біопалива є ріпакова олія. Теоретично можна використовувати і соняшникову олію, але у цієї олії висока температура застигання, що негативно позначається взимку на експлуатації транспортних засобів. Олії, що містяться в насінні і плодах соняшнику, ріпаку, сої та інших олійних культур, являють собою окиснені вуглеводні, в основному тригліцериди, близькі по теплоті згоряння до дизельного палива. Олія видаляється з олійних культур шляхом вичавлювання і екстрагування (трихлоретиленом або гексаном) і очищається методами нейтралізації, виморожуванням або фільтрування. У насінні ріпаку міститься 35-50 % жиру, 19-31 % добре збалансованого за амінокислотним складом білка, 5-7 % клітковини. За вмістом жиру і сумі жиру і білка вона перевершує сою, але поступається соняшнику та гірчиці. Рослинні олії нестабільні і мають підвищену в'язкість і коксуемість. Ці недоліки можуть бути частково усунені, якщо перевести їх у метилові або етилові ефіри. Основна технологія отримання метилових ефірів у розвинених країнах заснована на етерифікації тригліциридів рослинної олії метанолом з використанням основних або кислотних каталізаторів. У разі кислотного каталізатора тривалість реакції становить близько 1- 45, годин, у випадку основного, або 1-8 годин (в залежності від температури і тиску), причому в початковий період реакція протікає повільно внаслідок двофазної природи системи метанол/масло і полярності з'єднань. Реакція етерифікації ріпакової олії етиловим спиртом протікає за наступним механізмом, (Рис. 26.5.) Існує проблема видалення каталізатора і продуктів омилення для чистоти одержуваного продукту. Її сутність полягає в розкладанні молекули тріглецириду на чотири складові - гліцерин і три жирні кислоти, з подальшим з'єднанням жирних кислот з молекулами спиртів (етанол, бутанол тощо).

Олійний ефір має наступні переваги порівняно з рослинною олією: зниження молекулярної маси зумовило вирівнювання в'язкості ефіру, а також ряд інших показників - значною мірою попереджає утворення і формування нагаровідкладень на деталях циліндро-поршневої групи, це дає можливість застосування олійного ефіру в дизелі без його конверсії. Однак, порівняно з дизельним паливом нагаро - і смоловідкладення залишаються збільшеними, відзначається низька стабільність ефіру при зберіганні, негативний вплив на моторне мастило, Крім того, значно зростають витрати на виробництво олійного ефіру. Фізичні властивості палива впливають на динаміку паливного струменя і якість розпилювання. При інших рівних умовах впливають в'язкість, поверхневий натяг і щільність. При підвищенні в'язкості зростає далекобійність паливної струменя, що зменшує частку об'ємного сумішоутворення і призводить до потрапляння на стінки камери згоряння більшої кількості палива. Зі зниженням в'язкості палива середній діаметр крапель палива зменшується, і стає більш однорідним розпил. Однак при цьому кут розсіювання паливної струменя збільшується, а далекобійність зменшується. Чим вище поверхневий натяг, тим більш стійка крапля до впливу зовнішніх сил і тим більше її розміри. Чим менший поверхневий натяг, тим тонше і однорідніше розпилювання палива, що сприяє прискоренню процесів сумішоутворення і згоряння. Поліпшення фізико-хімічних параметрів біологічного дизельного палива пропонується за рахунок його імпульсної багатофакторної енергетичної обробки. В якості енергетичних впливів використовуються механічний, акустичний, електромагнітний та тепловий впливи. Для запобігання випадіння осадків при підвищених температурах палива на основі рослинних олій рекомендується додавати модифікатори - диспергенты (продукти взаємодії алкенилянтарного ангідриду зі спиртами та аминослиртеми) а також антиокислювальні присадки. Можна використовувати в якості палива для дизелів суміші рослинних олій та Їх ефірів зі спиртами (етанол, бутанол і ін.), оскільки ефіри рослинних олій є співрозчинниками між газойлем і спиртом.

Рис. 26.5. Схема реакції етеріфікації, яка покладена в основу виробництва біодизельного палива.

Біодизельне паливо (біодизель, МЕРМ, РМЕ, КМЕ, РАМІ, ЕМАО, біонафта та ін.) -це екологічно чистий вид біопалива, що отримується з жирів рослинного і тваринного походження і використовуваний для заміни нафтового дизельного палива (Дії). З хімічної точки зору біодизель є сумішшю метилових (егалових) ефірів насичених і ненасичених жирних кислот. В процесі реакції переетерифікації олії жири вступають в реакцію з метиловим (етиловим) спиртом у присутності каталізатора (луги), внаслідок чого утворюються складні ефіри, а також гліцеролова фаза: 56% гліцерину, 4% метанолу, 13% жирних кислот, 8% води, 9% неорганічних солей, 10% ефірів. Матеріальний баланс реакції отримання біодизеля: для отримання 1000 кг (1136 л) біодизеля потрібні 50 кВт тепловій енергії і 26 кВт електроенергії, 1040 кг (1143 л) рапсової олії, 144 кг (114 л) 99,8% метанолу, 19 кг гідрооксиду калію (88% КОН), 6 кг допоміжного фільтруючого матеріалу, 105 кг води. При цьому окрім біодизеля виходить близько 200 кг сирого гліцерину і 117 кг води, після очищення біодизеля. Біодизель може використовуватися у будь-яких дизельних двигунах (віхрекамерних і передкамерних, а також з безпосереднім уприскуванням); як самостійно (у адаптованих двигунах), так і в суміші з дизельним паливом, без внесення зміни в конструкцію двигуна [21, 43, 45].

Розглянемо вплив деяких фізико-хімічних показників біодизеля, визначуваних стандартом EN 14214: 2004, на параметри дизеля і його еколого- експлуатаційні характеристики. Підвищені в порівнянні з дизельним паливом щільність на 10% і кінематична в'язкість в 1,5 разу сприяють деякому збільшенню (на 14%) далекобійності паливного факела і діаметру крапель розпорошеного палива, що може привести до збільшеного попадання біодизеля на стінки камери згорання і гільзи циліндра. Менші значення коефіцієнта стисливості біодизеля призводять до збільшення дійсного кута випередження уприскування палива і максимального тиску у форсунці. Високе цетанове число біодизеля 51 і більше, сприяє скороченню періоду затримки займання і менш "жорсткій" роботі дизеля. Підвищена майже в 3 рази, температура спалаху біодизеля в закритому тиглі 120 С і більше забезпечує високу пожежобезпеку. Кисень (-10%) в молекулі метилового ефіру діє по наступних напрямах. Наявність окисника безпосередньо в молекулі палива дозволяє інтенсифікувати процес згорання і забезпечити більш високу температуру в циліндрі дизеля, що, з одного боку, сприяє підвищенню індикаторного і ефективного ККД двигуна, а з іншої – призводить до деякого збільшення оксиду азоту NO2 в відпрацьованих газах. Менша доля вуглецю (-77%) в молекулі біодизеля призводить до зменшення його нижчої теплоти згорання на 13-15% і збільшення годинного і питомого ефективного витрат палива.

Для збереження номінальних параметрів двигуна при переході на біодизель потрібно регулювання паливної апаратури (упор рейки паливного насоса високого тиску встановлюють заново на збільшення циклового подання палива). Застосування біодизельного палива дозволяє забезпечити зниження викидів шкідливих речовин з відпрацьованими газами. Для дизельних двигунів з вихровою камерою (передкамерою) і безпосереднім уприскуванням зниження відповідно складає: С–12(10) %, СаНш – 35(10) %, РМ (тверді частки) – 36(24) %, сажа – 50(52) % [59]. Деяке збільшення викидів N02 можна компенсувати низкою заходів: зменшення дійсного кута випередження уприскування палива, рециркуляція відпрацьованих газів. При експлуатації дизельних двигунів на біодизельному паливі необхідно звернути увагу на наступне. Перед початком експлуатації двигуна на біодизелі необхідно промити фільтр грубого і тонкого очищення палива. Із-за підвищеної агресивності біодизеля потрібно замінити паливні шлангі і прокладки на виготовлені із стійкого до біопалива матеріалу, а також ретельне видалення біодизельного палива, що потрапило на лакофарбні покриття. В деяких випадках потрібна частіша заміна моторного мастила із-за можливого розрідження біодизеля, що потрапляє в нього. Можливе деяке збільшення рівня шуму і димності при холодному пуску, при знижених температурах потрібно застосування депрессорных присадок. Необхідно здійснювати контроль вмісту води у біодизелі (із-за його великої гігроскопічності), щоб уникнути небезпеки розвитку мікроорганізмів, утворення перекисів і корозійної дії води, у тому числі і на елементи паливної апаратури [43, 44, 45].

На Рис. 26.6. представлена структура матеріальних потоків в комерційному багатотоннажному комплексі виробництва біодизеля, основою якого може служити кластерне об'єднання юридичних осіб. Особливостями існуючої і перспективної технології багатотоннажного виробництва біодизеля в країнах ЄС є:

• пресово-екстракційний спосіб переробки олійних культур (рапс); •розподіл фаз "біодизель - гліцеринова вода" і "гліцерин - вода" в полі відцентрових сил (на сепараторах);

• перехід на гетерогенний стаціонарний каталізатор при проведенні реакції "метанол - тригліцериди" замість гомогенного каталізатора;

• пошук параметрів процесів для проведення в промислових масштабах реакції "етанол - тригліцериди" замість "метанол • тригліцериди".

На Рис. 26.7. представлена структура матеріальних потоків в замкнутому(малотоннажному) циклі виробництва і споживання біодизеля у єдиної юридичної особи - замкнутий (малотоннажний) цикл виробництва і споживання біодизеля.

Особливостями технології і апаратурного використання замкнутого (малотоннажного) циклу виробництва біодизеля є:

• пресовий спосіб переробки олійних культур (рапс);

• розподіл фаз "біодизель - гліцеринова (промивна) вода" в полі гравітаційних сил (відстоєм) в реакторах;

• використання гомогенного(лужного) каталізатора.

Рис. 26.6. Структура матеріальних потоків в комерційному комплексі виробництва біодизеля (кластерне об'єднання юридичних осіб).

Рис. 26.7. Структура матеріальних потоків в замкнутому циклі виробництва і споживання біодизеля у єдиної юридичної особи (суб'єкт господарювання).

Біодизель може використовуватися в звичайних двигунах внутрішнього згоряння, як самостійно, так і в суміші зі звичайним дизпаливом, без внесення змін у конструкцію двигуна. Окрім відносно високого цетанового числа біодизель має і ряд інших корисних властивостей:

Головна перевага біодизеля - це те, що його виробляють з ресурсів, які швидко відновлюються (запаси нафти, наприклад, практично невідтворюємі). Наприклад, дане питання Є дуже актуальним для колективних господарств, які займаються переробкою олії, у всіх постає болюче питання, де взяти паливо до початку сезону. Відповідь проста, зробити біодизель зі своєї ж сировини і бути повністю автономними у споживанні палива [42-43].

Рослинне походження. Підкреслимо, що біодизель не володіє бензоловым запахом і виготовляється з олій, сировиною ДЛЯ яких служать рослини, поліпшуючі структурний та хімічний склад грунтів в системах сівозміни. Сировиною для виробництва біодизелю можуть бути різні рослинні олії: соняшникова, ріпакова, соєва, арахісова, пальмова, бавовна, лляна, кокосова, кукурудзяна, гірчична, рицинова, конопляна, кунжутна, відпрацьовані олії (використані, наприклад, при приготуванні їжі), а також тваринні жири.