No title

 

Лаборатория Гигротермических Процессов

ИТТФ НАН Украины

 

+(38044) 424-13-96

+(38044) 424-98-86

 

НА ГЛАВНУЮ    О ЛАБОРАТОРИИ    ТЕХНОЛОГИИ   ПРОЕКТЫ    СТАТЬИ    ВНЕДРЕНИЯ    КОНТАКТЫ

 

 

 

Оборудование для косметической отрасли и фармацииОборудование для ветеринарииОборудование для пищевой промышленностиоборудование для производства топлив, масел, ГСМ 

 

 

Статьи:

 English

Оборудование для:

 

Оборудование для:

 • Фармации и косметической отрасли

 • Пищевой промышленности

 • Ветеринарии

 • Производства топлив, масел, ГСМ

 

Рекламные проспекты:

reclama-01.JPG

reclama-02.JPG

 

Продукування енергоносіїв з відновлювальної рослинної сировини

Надруковано в журналі "Енергетика та Електрифікація" 9/08

А.А. Долінський, академік НАНУ, директор ІТТФ НАНУ

Л.М. Грабов, кандитат технічних наук, зав. лабораторією, провідний науковий співробітник,

В.І. Мерщій, старший науковий співробітник,

О.І. Шматок, аспірант.

Інститут технічної теплофізики НАН України

Вступ

Розуміння вичерпності класичних традиційних видів енергоносіїв зумовлює енергетичну політику різних країн. Всесвіт готується до того, що розвідані запаси нафти, газу, вугілля багатьом країнам будуть недосяжні. Тому ці країни бачать вирішення енерготичної проблеми в пошуку та використанні нетрадиційних та відновлювальних джерел енергії. Більшість країн ЄС, США, Канада, Росія, Білорусь та інші країни рішуче впроваджують альтернативні біоенергетичні технології. Біопаливо має важливі екологічні переваги. Рідке паливо з олії, яке потрапляє у воду, не завдає шкоди рослинам і тваринам. Воно практично повністю розкладається в землі та у воді. Мікроорганізмами за 28 днів переробляється 99% біопалив з відновлювальної рослинної сировини. Позитивним фактором для екології є те, що біопаливо не містить сірки у своєму складі, зате воно має гарні змащувальні властивості, що позитивно впливає на роботу двигуна [1].

В книгу рекордів Гіннеса занесено вантажівку з Німеччини, яка проїхала 1,25 млн. кілометрів на біопаливі. При роботі двигуна на біопаливі змащуються рухомі частини, в результаті чого, як показало тестування, досягається збільшеня терміну роботи двигуна в середньому на 60 %.

Сировиною для одержання біопалив використовують олії різних рослин, а також відпрацьовані рослинні олії, тваринні жири, риб’ячий жир та інше. Найбільш розповсюджені по різним країнам і місцям наступні рослини: ріпак – в Європі та Китаї, канола (різновидність ріпака) – в Канаді, соя – в США та Африці, ятрофа – в Індії, пальмова олія – в Індонезії та на Філіпінах, кокосова олія – в Бразилії, відпрацьована олія – в Великобританії та США, олія з мікроводоростей – в США, Новій Зеландії, Канаді.

На рис.1 наведені фотографії деяких відновлювальних видів рослинної сировини, в тому числі й мікроводоростей, що здатні продукувати олію.

   Ріпак

   Насіння ріпаку

Соняшник

      Насіння соняшнику

Земляний горіх

 Земляні горіхи

Олійна пальма

 Насіння пальми

 Кокосова пальма

 Кокосові горіхи

Ятрофа

 Насіння ятрофи

Мікроводорості

Рис.1 Фотографії відновлювальних видів рослинної сировини.

В таблиці 1 наведено вихід олій на одиницю площі насаджень відновлювальних видів рослинної сировини [2].

Таблиця 1. Вихід олії з відновлювальних видів рослинної сировини.

Сировина

кг олії/га

л олії/га

Соя

375

446

Соняшник

800

952

Земляний горіх (арахіс)

890

1059

Ріпак

1000

1190

Олива

1019

1212

Ятрофа

1590

1892

Кокосовий горіх

2260

2689

Пальмова олія

5000

5950

Мікроводорості

80500

95000

З таблиці 1 видно, що найбільший вихід олій можливо одержати з пальмової сировини та мікроводоростей.

 
Продукування мікроводоростей для виготовлення біопалива

Протягом шести років в США активно проводяться дослідження з продукування мікроводоростей з високим вмістом олії. Досягнута врожайність до 50 г мікроводоростей з 1м2 водної поверхні за добу, при вмісті олії 50% від загальної маси водоростей. Дослідники прийшли до висновку, що можливо вирощувати такі водорості у відкритих водоймах в штатах Каліфорнія, Нью-Мексика, на Гаваях, а також в відкритих водоймах, та в малих біореакторах (рис.2), розміщених близько до ТЕС, де має місце значний викид тепла. На сьогоднішній день в Канаді вже продукується близько 630 млн. л. олії з мікроводоростей за рік, в Новій Зеландіїї – 1 млн. л. за рік.

         а) Біореактор відкритого типу.                 б)Трубчастий біореактор.

Рис.2 Фото біореакторів продукування мікроводоростей для виготовлення біопалива.

В Україні, в м. Дніпропетровську, спеціалістами ВАТ “Біодизельдніпро” розроблено технологію та устаткування для продукування мікроводоростей і одержання олії для виготовлення біопалива.

На рис.3 наведено фото біореактора для вирощування мікроводоростей з високим вмістом олії.

Рис.3 Фото біореактора для продукування мікроводоростей ВАТ «Біодизельдніпро»

ВАТ “Біодизельдніпро” виготовляє обладнання для одержання біопалива з мікроводоростей різної продуктивності, яке складається з накопичувальних ємностей, біореакторів, газогенератора СО2, пристрою для розділення твердої і рідкої фаз, комплексу з виробництва олії, насосів, системи КВП, автоматики та інших вузлів.

Аналіз олії, одержаної з мікроводоростей на цій установці показав, що олія за своїми характеристиками подібна до соняшникової, але до її складу входять в більшій кількості пальмітинова (40%) та олеїнова (45%) кислоти.

В таблиці 2 наведено фізико-хімічні характеристики олії з мікроводоростей.

Таблиця 2. Фізико-хімічні характеристики олії з мікроводоростей.

Показники

Одиниці виміру

Значення

1

2

3

Щільність, при t=25°С

кг/л

0,9153

Кінематична вязкість, при t=25°С

мм2

57,02

Вільні жирні кислоти (за олеїновою кислотою – М=282)

        

1,21

Вміст фосфору

мг/кг

13

1

2

3

Показник йоду (час реакції 1 година)

г(І)/100

123

Пероксидне число (час реакції 1 година)

мг-екв/кг

11,9

Число омилення

мг КОН/г

202

Температура

 

°С

 

помутніння

-9

спалаху

325

В установці передбачено встановлення ламп денного освітлення, які використовуються для проходження процесу фотосинтезу у водоростях. Лампи працюють від спеціально сконструйованого дизель генератора, який в свою чергу працює на олії, що отримується з вирощуваних водоростей. З енергетичної точки зору кількість енергії, яка витрачається при виробництві біопалива в установці ВАТ “Біодизельдніпро” буде більшою, ніж енергія отримана при спалюванні біопалива. Таким чином, вирощування мікроводоростей може бути енергетично вигідним лише при продукуванні їх в місцях з теплим кліматом, де для вирощування водоростей можливо використати енергію сонця.

 
Традиційна технологія продукування біопалива

Вирішення проблеми енергозабезпечення України дуже важливе через значне вичерпання власних традиційних енргоносіїв і залежність від країн-імпортерів фосильного палива. Розвинуті країни широко впроваджують альтернативні відновлювальні джерела енергії. Відома у світі традиційна схема виробництва біодизельного пального (рис. 4), де рослинна олія переетерифікується метанолом при температурі 50-70ºС та атмосферному тиску в присутності лужних каталізаторів [3].

Рис.4 Схема виробництва біодизельного пального

Одержана в результаті реакції суміш розділяється в сепараторах або ємностях-відстійниках. В результаті чого отримують суміш метилових ефірів жирних кислот (біодизельне пальне) та гліцеринову фазу («чорний» гліцерин), що містить 45-50% гліцерину, метанол, що непрореагував, продукти омилення жирів та інші домішки. Очищений гліцерин використовується для виробництва миючих засобів, а після глибокої очистки використовується в фармації. Проте для проведення очистки гліцерину та утилізації відходів необхідні додаткові капіталовкладення на етапі проектування та будівництва переробного заводу та в процесі виробництва, що значно підвищує собівартість отримуваного біопалива. Назважаючи на вищевказані складності за даною схемою у світі на сьогоднішній день виробляється більше 12 млн. т. біодизельного пального на рік.

 
Розробка нових технологій одержання біопалива

В Інституті технічної теплофізики НАН України (ІТТФ НАНУ) протягом кількох останніх років проводяться роботи в напрямку створення новітніх технологій одержання біопального з використанням останніх досягнень в галузі тепломасопереносу. Розроблено та виготовлено тепломасообмінний стенд для дослідження термопульсаційних процесів одержання біопалив (рис. 5). Стенд складається з двох функціональних контурів: продуктового контуру та контуру теплоносія. До складу продуктового контуру входять: вихідна ємність А1, насос продуктовий Н1, диспергатор-гомогенізатор ГМ, реактор трубчастий РТ, реактор циліндричний РЦ, теплообмінник ТТ, пробовідбірник ОП та ємність готового продукту А2. Контур оснащений трубозапірною арматурою та контрольно-вимірювальним обладнанням. Ємність А1 оснащена перемішуючим пристроєм М спеціальної конструкції, що забезпечує якісне перемішування реагуючих компонентів.

Принцип дії стенда полягає в наступному:

Ø  Суміш, що знаходиться в ємності А1, через кран К2 за допомогою насоса Н1 подається через нагнітальний трубопровід до диспергатора-гомогенізатора ГМ де піддається широкому спектру гідродинамічних впливів, проходячи складною траєкторією між робочими органами апарата.

Ø  Після обробки у гомогенізаторі, суміш через нагнітальний патрубок подається до трубчастого реактора РТ, в якому відбуваються такі процеси: нагрів чи охолодження, змішування та перемішування компонентів при різних режимах руху оброблюваного середовища, проходження хімічних реакцій в присутності каталізаторів.

ØДалі продукт надходить у циліндричний реактор де відбувається завершення хімічної реакції. Циліндричний реактор оснащений індивідуальною системою обігріву НЭ2, що дозволяє регулювати температуру в реакторі в широких межах.

ØКонтроль готовності продукту здійснюється шляхом відбору проб через пробовідбірник ОП. Готовий продукт вивантажують до ємності А2 через відкритий кран К10. При потребі суміш може бути направлена на рециркуляцію.

Контур теплоносія призначений для обігріву ємності А1 та трубчастого реактора РТ. Нагрів теплоносія відбувається в нагрівачі НЭ1. Циркуляція теплоносія здійснюється за допомогою насоса Н2.

Рис. 5 Схема стенда для дослідження тепломасообмінних процесів виробництва біодизельного пального

На рис. 6 наведено загальний вигляд тепломасообмінного стенда для дослідження тепломасообмінних процесів одержання біодизельного пального.

а

б

Рис. 6 Фото елементів діючого тепломасообмінного стенда для дослідження термопульсаційних процесів одержання біопалив.

а – вид на трубчастий реактор, б – вид на диспергатор-гомогенізатор.

Мета, що ставиться співробітниками Інституту: розробити інноваційну технологію одержання біопалива з використанням методу дискретно-імпульсного введення енергії (ДІВЕ). В цьму напрямку, спільно з Інститутом сорбції та проблем ендоекології НАН України (ІСПЕ НАНУ), проводиться низка робіт зі створення нових каталізаторів та обладнання для проведення безвідходної реакції переетерифікації рослинних олій етиловим спиртом. Завдяки використанню методу ДІВЕ, трубчастих реакторів та нових каталізаторів планується створити принципово нову безвідходну технологію одержання біопалива з рослинних олій та етилового спирту, що дозволить значно скоротити собівартість отримуваного пального.

При виготовленні експериментального стенду створено нові види обладнання для змішування, диспергації та гомогенізації вихідних компонентів, які можливо використати не лише для виробництва біодизельного пального, а і для покращення якості традиційних палив шляхом додавання до них присадок та інших інгрідієнтів, які покращують якість палива, а також для створення високоякісних паливних сумішей.

 
Технічно-доступний енергетичний потенціал біодизельного палива в Україні

Аналіз сучасного стану аграрного сектору України показує, що в країні існує значний доступний енергетичний потенціал для продукування біопалива. За даними наведеними в літературі [4] технічно-доступний потенціал продукування біодизельного пального з біомаси: ріпаку, соняшнику та сої в Україні складає більше 37,6 ТВт·год/рік. Для цього необхідна площа для вирощування рослинної сировини близько 65500 км2, з якої можливо одержати 3,6 млн.т/рік біодизельного пального.

Напрямки робіт зі створення альтернативних видів пального

В науково-технічній літературі відомі роботи японських дослідників [5], в яких метанол при температурі до 400ºС і тиску більше 8 МПа взаємодіє з рослинними оліями без застосування каталізатора. Цей метод дозволив би значно скоротити час проходження реакції, але він потребує високих технологічних параметрів, що збільшує вартість технологічного обладнання та призводить до підвищення енерговитрат при виробництві.

В Німеччині з’явились роботи, в яких до традиційного дизельного палива додають до 20% води, близько 1% емульгатора та проводять гідродинамічну обробку в емульгаторі-диспергаторі. Можливість використання такої суміші на транспорті та в енергетиці ще не вивчена.

В Фінляндії фірма «Neste Oil» почала розробку і продукування «біопалива другого покоління», в якому застосовується суміш біодизелю та водню під торговою маркою NEхBTL.

В 2008 р. ІТТФ НАНУ представляв комплекс розробок на виставці-ярмарці «Hannover Messe-2008», в тому числі розробки Інституту зі створення інноваційних технологій одержання біопалив з відновлюваної рослинної сировини. За представлені на виставці розробки інститут одержав Диплом міжнародної виставки-ярмарки.

Для ознайомлення з роботами в галузі виробництва біопалива Інститут відвідали представники пакистанської та сінгапурської компаній, що зацікавлені у розробці та впровадженні технологій виробництва біодизельного пального. З представниками пакистанської компанії було проведено попередні переговори про поставку дослідної установки для одержання біопалива з рослинних олій та етилового спирту. В якості сировини для виробництва планується використовувати олію з ятрофи, яка добре росте в умовах пакистанського клімату. Олія з ятрофи буде поставлятися пакистанською стороною в ІТТФ НАНУ для проведення попередніх досліджень.

 
Висновки та рекомендації для подальшого використання результатів роботи

1.    Роботи зі створення інноваційної безвідходної технології та обладнання для отримання рідких біопалив є актуальними та перспективними. В цьому напрямку працює велика кількість науково-дослідних установ світу.

2.    В межах цільової комплексної програми наукових досліджень НАН України «Біомаса як паливна сировина» інститутами ІТТФ НАНУ та ІСПЕ НАНУ проводяться роботи по створенню та відпрацюванню нової безвідходної технології отримання біопалива.

3.    В межах подальшого використання роботи необхідно провести комплексні дослідження процесів тепло- та масопереносу при відпрацюванні інноваційної технології одержання біопалив, а також розпочати роботи зі створення «біопалив другого покоління».

 
Література

1.   Грабов Л.Н., Мерщий В.И., Грабова Т.Л. Экологические аспекты продуцирования и      использования биодизельного топлива из рапса // 3-я Международная конференция «Нетрадиционная энергетика в XXI веке», Судак, 2002, -С.226-229.

2.  www.globalpetroleumclub.com

3.   Грабов Л.Н., Шматок А.И. Производство альтернативного биодизельного топлива и перспективы его развития. Пром. теплотехника. – 2008, т. 30, №1, с. 60-65.

4.   Забарний Г.М., Кудря С.О., Кондратюк Т.Г., Четверик Г.О. Термодинамічна ефективність та ресурси рідкого біопалива України. – Інститут відновлювальної енергетики НАНУ, Київ, 2006. – 226с.

5.   Dadan Kudiana and Shiko Sana, A Novel Process of Biodiesel Fuel Production in Supercritical Methanol // 1 st World Conference on Biomass for Energy and Industry. – Sevilla, Spain, 5-9 June 2000. Vol. 1. pp 563-566.

Лаборатория Гигротермических Процессов

Лаборатория Гигротермических Процессов

ИТТФ НАНУ

Все права защищены ® 2009-2015