Введение. За последнее десятилетие стоимость дизельного топлива выросла более чем в три раза, что стимулирует производство и применение альтернативных топлив, наиболее реальными из которых являются биотоплива на основе растительных масел, которые можно произвести внутрихозяйственным способом из собственного сырья, в частности из рапсового масла.
Посевные площади рапса в Красноярском крае за последние пять лет (с 2011 по 2015 гг.) выросли в два раза. Средняя урожайность семян составляет 13-15 ц/га при себестоимости 15,3 руб./кг. При их переработке выходит до 33% масла и 67% жмыха (шрота). Доход от использования жмыха в животноводстве практически полностью компенсирует затраты на возделывание, уборку и переработку семян. Себестоимость продукции растениеводства при использовании рапсового масла в качестве основы биотоплива снижается до 10-15% [1].
В дизельных двигателях используется биотопливо на основе рапсового масла (РМ) двух разновидностей:
— метиловый эфир рапсового масла (МЭРМ), получаемый при метанолизе РМ;
— смесевое топливо (СТ), состоящее из смеси РМ с дизельным (ДТ) или другими нефтяными топливами.
Химмотологические качества МЭРМ близки к ДТ, поэтому его использование практически не требует адаптации дизеля. Однако технология внутрихозяйственного производства МЭРМ труднореализуема из-за ее сложности, использования чрезвычайно ядовитого метилового спирта и высокой стоимости конечного продукта.
Учитывая возможность производства РМ на базе специализированного предприятия или внутри хозяйства, а также более высокий выход энергии по топливной составляющей, в сельском хозяйстве региона в основном производят и используют для дизельных двигателей СТ [2,3].
Цель работы – обоснование технологии производства смесевого топлива на основе рапсового масла.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
1) разработать структурную схему технологии производства смесевого топлива на основе рапсового масла;
2) обосновать параметры технологического процесса и оборудования поточной лини производства смесевого топлива;
3) дать оценку физико-химических свойств смесевого топлива.
Условия и методы исследования.
Технология производства смесевого топлива на основе РМ включает три взаимосвязанных и последовательно выполняемых процесса [1]:
1) переработка семян рапса для получения масла-сырца и жмыха;
2) очистка и нейтрализация масла-сырца;
3) смешивание нейтрализованного масла (РМн) с дизельным или другим минеральным топливом.
Эффективность указанных процессов с позиций ресурсосбережения и экологии определяется количественными и качественными характеристиками конечного продукта, основными из которых являются выход рапсового масла после нейтрализации, его теплотворная способность, вязкостно-температурные и другие свойства. Эти характеристики формируют, при смешивании РМн с минеральным топливом, эксплуатационные свойства СТ, которые определяют в итоге энергетические, топливно-экономические, общетехнические и экологические показатели дизельного двигателя и технический уровень машины (трактора, комбайна, автомобиля) в целом [1].
Структурная схема технологии производства смесевого топлива и параметры оборудования для его реализации выбирались из условия обеспечения производительности по семенам до 450 кг/ч с выходом масла 30-35% и осадка после его нейтрализации 5-6%. Заданные эксплуатационные свойства СТ обеспечивались добавкой в РМн 25-30% по массе минерального топлива.
Результаты исследования.
Технологическая линия (рис. 1), представляющая совокупность производственных процессов получения смесевого топлива на основе РМн была реализована в ряде предприятий АПК Красноярского края.
Процесс переработки семян рапса в масло и получения смесевого топлива осуществляется на поточной линии.
Исходное сырье загружается в бункер 1 и через дозатор поступает в зеерную камеру шнекового маслопресса ММШ-450 (2) предварительного отжима. В зеерной камере происходит непрерывное уплотнение и предварительный отжим сырья с выделением до 15% масла, которое собирается фузоловушками с пеногасителями и перекачивается в резервуар РГС-50 (7). Далее полуотжатые семена перемещаются винтовым транспортером на пресс основного отжима (3), где съем масла достигает 20%.
Жмых с маслопресса основного отжима винтовым транспортером перемещается в бункер временного накопления (4), для реализации.
Рисунок 1. Схема технологической линии производства смесевого топлива на основе рапсового масла
После отстаивания масло из резервуара (7) поступает в систему очистки (6), включающую линии предварительной и тонкой фильтрации продукта.
Для удаления солей жирных кислот после очистки производится нейтрализация масла раствором КОН при концентрации 0,3% [4]. Реакцию проводят в нейтрализаторе (5) при температуре 60-70°С, что достигается использованием встроенных электронагревателей мощностью 5,0 кВт. Перемешивание масла в нейтрализаторе осуществляется механической мешалкой с перегородками. В результате нейтрализации выделяется 3-5% осадка солей жирных кислот, который сливается через клапан конусного дна нейтрализатора.
Нейтрализованное рапсовое масло РМн перекачивается в смеситель (8), где добавляется дизельное топливо (30%), или керосин марки ТС-1 (25%). Готовая продукция хранится в горизонтальном резервуаре РГС-50, либо реализуется в полиэтиленовой упаковке «Еврокуб» объемом 1 м3 с металлическим каркасом.
В системе очистки масла между насосом НШ-10 (2) и фильтрами грубой (4) очистки предусмотрена установка дросселирующего узла 3 типа ПГ-55 (рис. 2), обеспечивающего его подогрев до 50-60°С и гашение гидроударов. Трехходовой кран (8) позволяет поочередно перекрывать потоки масла при обслуживании фильтров.
Шестеренный насос подает отстоявшееся масло через дроссель (3) под давлением 5-7 МПа в линию предварительной очистки, включающую два параллельно работающих фильтра грубой очистки типа Р-531А (4), затем через рампу (7) в линию тонкой очистки из двух параллельно установленных фильтров ЭТФ-002 (5). Первые отсеивают частицы размерами 8-50 мкм, вторые – 0,5-8 мкм. Фильтры обслуживаются ежесменно, с заменой фильтрующих элементов тонкой очистки и промывкой фильтров грубой очистки.
Рисунок 2. Схема системы очистки рапсового масла:
1 – маслозаборник; 2 – насос НШ; 3 – дроссельный узел; 4 – фильтр грубой очистки; 5 – фильтр тонкой очистки с предохранительным клапаном; 6 – нейтрализатор; 7 – рампа; 8 – кран трехходовой
Параметры процесса производства СТ на технологической линии представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры технологического процесса
|
Параметр |
Значение параметра |
| Производительность по семенам, кг/ч | до 450 |
| Суммарный выход масла, % (кг/ч)
из них — предварительный отжим — окончательный (основной) отжим |
35 (157,5)
15 (67,5) 20 (90) |
| Выход жмыха, % (кг/ч) | 63,5 (285,75) |
| Потери по исходному сырью из материального баланса, % (кг) | 1,5 (6,75) |
| Конструкционная масса оборудования, кг | 5500 |
| Полная масса линии, загруженной на 100% по сырью, кг | 98900 |
| Установленная потребная мощность при двухстадийном отжиме и полной загрузке линии, кВт |
26,0 |
| Выход осадка (суммарный), % | 6,0 |
| Себестоимость рапсового масла нейтрализованного, руб./кг | 15,75 |
| Себестоимость смесевого топлива
СТн (0,7РМн+0,3ДТ), руб./кг |
28,0 |
| Себестоимость смесевого топлива
СТн (0,75РМн+0,25ТС-1), руб./кг |
26,3 |
Используемая совокупность методов и процессов позволяет обеспечить выход масла при работе поточной линии 35% (155-160 кг/ч) при себестоимости РМн 15,75 руб./кг с учетом реализации жмыха при цене семян рапса 15,3 руб./кг. В зависимости от вида и количества нефтяного топлива для получения СТ себестоимость его производства составляет 26,3-28,0 руб./кг, что на 33-37% ниже стоимости дизельного топлива.
На рисунке 3 показаны зависимости плотности и вязкости биотопливных композиций на основе рапсового масла, полученных по данной технологии. Их анализ показывает необходимость предварительного подогрева СТ до 65-70°С при его использовании в автотракторных дизелях [3]. Вязкость и плотность смеси 25%ТС-1+70%РМн ниже, чем у смеси 30%ДТ(Л-0,1-40)+70%РМн, что определяется отличием вязкостно-температурных характеристик дизельного топлива и керосина.
Рисунок 3. Зависимость вязкости и плотности биотопливных композиций от температуры: —— СТн (75%РМн+25%ТС-1); ── СТн (70%РМн+30%ДТ)
Полученное смесевое топливо имеет, по сравнению с летним дизельным топливом, более высокую плотность и меньшее цетановое число (табл. 2), что приводит к некоторому ухудшению процесса сгорания дизельного двигателя. Однако подогрев СТ до 65-70°С позволяет существенно улучшить его эксплуатационные свойства, обеспечивая незначительное снижение мощности и топливной экономичности при улучшении экологических показателей автотракторных дизелей [1].
Таблица 2.
Основные показатели физико-химических свойств топлив
| Показатели качества | ДТ летнее | РМ | РМн | СТ (30%
СТн (30%ДТ +70% РМн) |
СТ (30%
СТн (25%ТС-1 +75% РМн) |
| Плотность при 20 0С, кг/м3
Кинематическая вязкость при 20 0С, мм2/с (сСт) Поверхностное натяжение при 20 0С, Н/м Цетановое число, не менее Кислотное число, мгКОН/г Температура, 0С воспламенения (не менее) застывания (не более) Содержание, в % серы, не более золы, не более Низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг Испытания на медную пластину |
840
3…6
27·10-3 45 0,06
+40 -10
0,2 0,02
42,5 Выдер-живает |
913…922
62,6…71,7
33,2·10-3 38…40 0,04
+ 240…320 -18
0,0011 0,01
34,2…37,5 Выдер-живает |
924,2
76,04
33,2·10-3 38…40 0,0193
+230 -20
0,001 0,01
34,2…37,5 Выдер- живает |
888,4
46,5
29,3·10-3 40…41 0,02
+165 –16
0,001 0,01
39,5 Выдер- живает |
877,4
43,5
29,3·10-3 41…43 0,02
+117 –16
0,001 0,1
40,5 Выдер- живает |
Выводы
- Разработана структурная схема технологии производства смесевого топлива на основе рапсового масла, включающая процессы: получения масла-сырца прессованием семян рапса; очистку фильтрацией и нейтрализацию раствором КОН масла-сырца; смешивание нейтрализованного масла с минеральным топливом в соотношении (0,70РМн+0,30ДТ или 0,75РМн+0,25ТС-1).
- Обоснованные параметры технологического процесса и технического оборудования позволили, при производительности по семенам 450 кг/ч, обеспечить выход нейтрализованного рапсового масла РМн до 35% от массы семян себестоимостью 15,75 руб./кг с учетом цены реализации жмыха и получить смесевое топливо на 33-37% ниже стоимости дизельного топлива.
- Физико-химические свойства полученного смесевого топлива позволяют использовать его в автотракторных дизелях при подогреве до температуры 65-70°С без существенного ухудшения энергетических и топливно-экономических показателей.
Список литературы:
- Селиванов, Н.И. Технология производства и эффективность использования смесевого топлива на основе рапсового масла / Н. И. Селиванов, А. А. Доржеев // Вестн. КрасГАУ. – 2015. – № 5 С. – 81-86.
- Доржеев, А.А. Технология приготовления и использования биотопливной композиции на сельскохозяйственных тракторах [Текст] / автореф. дис. … канд. техн. наук / А.А. Доржеев. – Красноярск, 2011. – 20 с.
- Селиванов, Н.И. Эффективность производства и использования биотоплива на основе рапсового масла в тракторных дизелях / Н.И. Селиванов, А.А. Доржеев // Вестн. КрасГАУ. – 2008. – № 4 С. – 236-241.
- Пат. 2393209 Российская Федерация, МПК51 C 11 C 3/04. Способ производства биотоплива на основе рапсового масла для автотракторных дизелей [Текст] / Селиванов Н.И., Санников Д.А., Доржеев А.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО КрасГАУ. – № 2008140024/13; заявл. 18.10.2008; опубл. 20.04.2010, Бюл. № 11 (II ч.). – 3 с.[schema type=»book» name=»ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ РАПСОВОГО МАСЛА » description=»В статье представлена технология переработки семян рапса и производства смесевого топлива на основе рапсового масла, реализованная внутрихозяйственным способом. Обоснованы параметры поточно-технологической линии производства и дана оценка физико-химических свойств смесевого топлива себестоимостью на 33-37% ниже стоимости дизельного топлива. » author=»Селиванов Николай Иванович, Доржеев Александр Александрович, Матюшев Василий Викторович, Ладыгин Семен Михайлович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_26.09.15_10(18)» ebook=»yes» ]