Получение биодизельного топлива из некондиционного рапсового масла

В агропромышленном комплексе Красноярского края средняя урожайность по семенам рапса приближается к 20 ц/га. Наряду с основными сельскохозяйственными культурами, которые возделываются в Сибири, продукты переработки маслосемян ярового рапса лидируют как на пищевом, так и на техническом уровне [1]. Нарастающий экспортный потенциал масличных, особенно рапса, с учетом логистической доступности Красноярского края к основным рынкам сбыта (Юго-Восточная Азия) позволяет считать, что производство рапса является стратегическим приоритетом аграриев региона [2]. Регион продолжает наращивать объемы производства и переработки масличных, отрабатываются технологии возделывания. При этом переработка осуществляется в гораздо меньших объемах, чем экспортные поставки семян.

В сложившейся ситуации требуется тщательный анализ не только рынка продукции из семян, объемов их производства, но и подходов к производственным технологиям и их техническому обеспечению. Площади под рапс за 7 лет выросли в несколько раз [1–4]. Оборудование по переработке маслосемян подсолнечника, рапса и других масличных культур представлено в основном прессами и экструдерами импортного производства. На сегодняшний день оно физически устаревает, ремонтных предприятий такого типа очень мало. Поэтому становится актуальным производить российское оборудование, комплектующие и технологические линии в целом.

Природно-производственные условия в агропромышленном комплексе региона позволяют возделывать с наивысшей эффективностью следующие сорта и гибриды рапса: Надежный-92, Флагман, Ермак, Фаворит, Сибирский, Брандер, Белинда, Траппер, Герос, Аккорд [3–5]. Также в Сибири хорошие результаты достигнуты по сортам Солар КЛ (Новосибирск) [4] и Хайлайт (Германия) [5].

Продукты переработки маслосемян рапса – жмых 65–70% по массе и сырое прессовое масло 35–30%, используются в большинстве хозяйств в кормовых целях. Мировая практика широко использует рапсовое масло в технических целях. Оно апробировано в качестве рабочей жидкости гидросистем, его подвергают очистке с последующим введением специальных присадок. В различных вариантах смесей и биотопливных композиций очищенное различными способами рапсовое масло показало эффективность в качестве добавок в топливо на мобильной сельскохозяйственной технике. Также первоочередно в ряде показателей технического уровня сельскохозяйственных тракторов стоит экологическая составляющая (здесь учитывается биоразлагаемость в естественных условиях с минимальным вредом для природы, а также выбросы по отдельным компонентам отработавших газов двигателей при работе). Научные исследования вопросов экологических, энергетических и экономических показателей мобильной техники при использовании биодизельного топлива из маслосемян в условиях сельскохозяйственного производства показывают возможную эффективность и перспективу с учетом развития масложировой отрасли России [6–11].

Проблема производства пищевого и кормового растительных масел в сельскохозяйственных предприятиях, возделывающих рапс на семена и имеющих собственную переработку, заключается в наличии продуктов окисления и трудностях в реализации процессов их отделения от сырых прессовых масел.

Предприятиям малой мощности по переработке маслосемян свойственно упрощение технологий при одновременном стремлении к максимуму маслосъема однократным отжимом. Это неизбежно ведет к повышению содержания групп липидов, вызывающих

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)                      PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS химическое старение получаемого масла. Свободные жирные кислоты вызывают окисление масла в процессе дальнейшего хранения, оно становится непригодным для последующей переработки в пищевое и кормовое [8].

Главными причинами получения растительных масел, непригодных для пищевых и кормовых целей, являются:

• –    отсутствие линий первичной очистки;

• –    использование сырья, нескондиционированного по влажности;

• –    стремление сельхозтоваропроизводителей получать жмых, как первоочередной и основной вид продукта переработки семян (для последующего использования в кормопроизводстве на птицефабриках, свинокомплексах и т.д.).

При переработке прессовым способом влага из семян переходит частично в пар (что наблюдается в процессе прессования), частично – в сырое масло, что приводит к дополнительному его насыщению свободным кислородом. С этого момента сырое масло подвергается окислению и, если не принять соответствующих мер, стремительно портится. При этом образуются новые соединения, не позволяющие его использовать в пищевых и кормовых целях.

При невозможности использовать сырые прессовые масла в кормопроизводстве, в хозяйстве, имеющем линию прессования, можно организовать очистку масла-сырца способом нейтрализации и вымораживанием смеси с дизельным топливом для последующего получения этиловых (метиловых) эфиров, т.е. – биодизеля. При достаточном количестве сырья возможна частичная замена минерального дизельного топлива для машинотракторного парка хозяйства.

Наиболее распространенными и апробированными смесями биотопливных композиций являются биодизельные смеси [6; 7; 9]. Этиловые (ЭЭРМ) и метиловые (МЭРМ) эфиры растительных масел, полученные путем переэтерификации, смешивают с товарным дизельным топливом (ДТ) и получают марки биодизеля, цифра в которых показывает % их содержания в смеси, например: В-20; В-70; В-100. Первые указанные марки биодизеля не требуют существенных конструктивных изменений в дизеле. При использовании В-100 дизель необходимо адаптировать.

Цель работы – апробирование способа производства биодизеля из непригодного для пищевых и кормовых целей прессового рапсового масла.

Задачи исследований:

• 1)    обосновать вариант получения биотопливных композиций на базе маслоотжимной линии в условиях сельскохозяйственного предприятия;

• 2)    определить параметры процессов очистки сырого прессового масла и предложить схему поточной линии получения биотоплива В-20 и В-70;

• 3)    предложить и обосновать способ получения биотопливных смесей с улучшенными низкотемпературными свойствами.

Условия и методы исследований

Промышленные технологии получения биодизельного топлива предусматривают максимальное извлечение масла экструдированием, очистку отдельными стадиями рафинации в зависимости от сырья и последующую переэтерификацию с использованием метилового (реже этилового) спирта. Получение смесей (соответственно по маркам биодизеля) происходит после всех стадий очистки.

В сельском хозяйстве региона экструдирование семян рапса в основном используется при производстве комбинированных кормов. При получении биодизельного топлива максимальное извлечение масла из семян не требуется по причине ограничений со стороны питательности (масличности) жмыха, вполне достаточным является масло-съем 30–35%. Эффективность стадий очистки определяется качественными показате-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS лями получаемого продукта. Отличие от промышленных способов получения биодизеля при внутрихозяйственном производстве:

• –    получение сырого масла преимущественно на маслопрессах холодного отжима;

• –    использование вместо метилового спирта – этилового (получение ЭЭРМ);

• –    ограничение получения и использования до марки В-70 (при получении смесей после всех стадий очистки).

Лабораторная оценка низкотемпературных свойств образцов топлива проводилась по ГОСТам 20287–91 и 5066–91, предельные температуры фильтрации – по ГОСТам 22254 и 9219006.

Для приготовления смеси использовалось сырое прессовое масло сорта семян «Фаворит», полученное холодным отжимом в ОПХ «Солянское» Рыбинского района Красноярского края.

Результаты исследований

Поточная линия, представляющая совокупность производственных процессов получения биодизельного топлива, представлена на рис. 1. Она ориентирована на предприятия малой мощности для АПК Красноярского края, не имеющие первичной очистки и линии рафинации рапсового масла. На примере маслоотжимного оборудования ООО «Агроинжиниринг», установленного в ОПХ «Солянское» Рыбинского района Красноярского края, функционирует мини-завод по переработке масличных. Линии позволяют получать сырое рапсовое масло, полученное однократным и двухстадийным отжимом, а также экструдированием.

Рис. 1 . Поточная линия получения биодизельного топлива: 1 – наклонный шнековый транспортер;

2 – промежуточный питающий транспортер; 3 – маслопресс первого отжима; 4 – маслопресс окончательного отжима; 5 – фузоловушка с пеногасителем; 6 – транспортер; 7 – промежуточный накопительный бункер; 8 – насос; 9 – отстойник; 10 – клапан сливной; 11 – нейтрализатор-смеситель; 12 – аппарат для винтеризации; 13 – полотняный фильтр; 14 – накопитель; 15 – емкость под готовое биодизельное топливо

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49) PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Мини-завод по переработке масличных (преимущественно рапса), где осуществляется двукратное прессование, ориентирован на переработку для получения жмыха, как основного вида получаемой продукции. В наших исследованиях предлагается организация получения биодизеля без предварительной влаготепловой подготовки маслосемян, без обрушивания и других подготовительных операций. В общем виде основным в линии остается маслопресс ИР-500 (рис. 2, а ), очищенные семена подаются наклонным шнековым транспортером 1 в маслопресс 3 , полученное сырье в виде фуза, полуотжатых семян и сырого масла с частицами жмыха, поступает на вторую ступень посредством промежуточного питающего транспортера 2 . На маслопрессе окончательного отжима 4 масло максимально (до 35%) извлекается из подаваемого с первой стадии сырья и подается на фузоловушку с пеногасителем 5 , жмых подается транспортером 6 в промежуточный накопительный бункер 7 для последующей реализации (либо приготовления комбинированного корма, с последующей доработкой в виде кондиционирования по влажности, гранулирования, спрессовывания и т.д.). Сырое масло перекачивается насосом 8 в отстойник 9 для естественного осаждения тяжелых фракций под действием сил гравитации (осветление), здесь же происходит медленное охлаждение и удаление части свободного кислорода. Отстоявшееся масло нейтрализуется и смешивается с дизельным топливом в указанном соотношении в нейтрализаторе-смесителе 11 , а затем вымораживается в аппарате 12 при температуре 10°С, после смесь биотопливных композиций очищается на фильтре 13 , собирается в накопитель 14 и перекачивается в емкость для готового топлива 15 .

Характеристики сырого прессового масла зависят от свойств маслосемян и подготовительных операций. В агропромышленных предприятиях подготовительные операции перед маслоотжимной стадией практически отсутствуют, используется прямой однократный отжим, реже – формпрессование. Семена кондиционируют по влажности и очищают от механических примесей, затем подают на маслопрессы.

Трехсменная работа при восьмичасовой смене обеспечивает бесперебойность процесса, т.е. безостановочную работу маслоотжимного агрегата. На разогрев в пусковом режиме необходимо время для выхода на рабочий режим и заданную производительность. На это ориентированы прессы Т7-МОА, ММШ-450, АР-500 и другие, с производительностью от 450 кг/час (10,8 тонн в сутки) по сырью и более. Для хозяйств с большим запасом семян, либо отдельных маслозаводов с необходимым элеватором, подходят подобные агрегаты и их компоновка в линиях на 2–3 основных машины. При применении маслопрессов типа ПШМ, а также других, с производительностью до 450 кг/час, линия может работать как в одну, так и в 2–3 смены. Таким образом обусловлено, что производительность и загрузка основных агрегатов обозначена запасами маслосемян и возможностью его предварительной подготовки. Такие машины, например как маслоотжимной агрегат МП-68 производительностью до 60 т в сутки, приобретать, обслуживать и ремонтировать хозяйствам края очень дорого.

Помимо интенсивного окисления сырого масла, негативным является наличие растительных восков, которые плавятся на стадии извлечения и образуют структуры, повышающие вязкость и ухудшающие низкотемпературные свойства. В работе эти вопросы решаются на стадии винтеризации смеси нейтрализованного масла с ДТ. В предлагаемой поточной линии представляется возможным снижение кислотности, вязкости и коэффициента фильтруемости, что дает технический результат, позволяющий использовать смеси В-20 и В-70 в качестве моторного топлива.

По приведенной схеме стадия вымораживания (винтеризации) проводится после приготовления смесей, сама винтеризация проводится при температуре 10°С [12], обра-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS зовавшиеся крупные кристаллы восковых соединений и парафиновых фракций ДТ легко отфильтровываются полотняным напорным пресс-фильтром (рис. 2, б).

Рис. 2 . Оборудование по переработке маслосемян рапса в ОПХ «Солянское» Рыбинского района Красноярского края: а – маслоотжимные линии на базе маслопрессов АР-500, произведенные и установленные специалистами ООО «Агроинжиниринг» (г. Новосибирск);

б – напорные пресс-фильтры для очистки растительного масла

Оценка низкотемпературных свойств полученных образцов биодизельных топлив проводилась в лаборатории «Топлива и смазочных материалов» ФГБОУ ВО Красноярского ГАУ. Состав биодизельного топлива определялся марками В-100, В-70 и В-20 (соответственно 1, 2 и 3 варианты в табл. 1).

Таблица 1

Низкотемпературные свойства биодизельного топлива по вариантам смеси

Температура, °С	1 вариант	2 вариант	3 вариант
Фильтрации (предельная)	–1	–11	–12
Помутнения	–5	–12	–14
Застывания	–16	–17	–18

Приготовленные смеси биодизельные по вариантам 1–3 подвергались винтериза-ции запатентованным способом [12] с последующей фильтрацией на фильтрующем элементе 240-1117010-А дизеля Д-240. В результате лабораторных исследований установлено, что биотопливные композиции на основе нейтрализованного рапсового масла, винтеризированные в смеси (2 и 3 варианты) имеет температуру помутнения ниже на 7–9°С, чем летнее ДТ-Л-К5, что пропорционально сказывается на их предельной температуре фильтрации. Низкотемпературные свойства биодизельного топлива с применением вымораживания смесей совместно с минеральным ДТ, позволяют использовать его при температурах до минус 10°С.

Полученный технический результат позволил обосновать предлагаемый способ очистки биодизельного топлива, который может быть использован в поточной линии получения и очистки биотопливных композиций на основе прессового рапсового масла в условиях сельскохозяйственного производства. Основные характеристики предлагаемой

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)                      PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS маслоотжимной линии с последующей очисткой и получением биодизеля (ЭЭРМ) приведены в табл. 2, опытно-расчетные характеристики топлива представлены в табл. 3.

Характеристика поточной линии переработки маслосемян рапса с последующим получением ЭЭРМ

Основные показатели физико-химических свойств топлив

Таблица 2

Параметр	Значение параметра
Производительность по семенам, кг/ч	до 450
Суммарный выход масла, % (кг/ч) из них предварительный отжим окончательный (основной) отжим	33 (148,55) 10 (45,0) 23 (103,5)
Выход жмыха, % (кг/ч)	66 (297)
Потери по исходному сырью из материального баланса, % (кг)	1 (4,5)
Конструкционная масса оборудования, кг	4250
Полная масса линии, загруженной на 100% по сырью, кг	89 900
Установленная потребная мощность при двухстадийном отжиме и полной загрузке линии, кВт	26,5
Выход глицериновой фракции (суммарный), %	5,5
Себестоимость ЭЭРМ для конкретного хозяйства, руб./кг	35,5
Себестоимость биодизеля В-20, руб./кг	48,5
Себестоимость биодизеля В-70, руб./кг	33,5

Таблица 3

Показатели качества	ДТ-Л-К5	РМ	В-20	В-70
Плотность при 20°С, кг/м3	840	913–922	888,4	877,4
Кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с (сСт)	3–6	62,6–71,7	46,5	43,5
Поверхностное натяжение при 20°С, Н/м	27 · 10–3	33,2 · 10–3	29,3 · 10–3	29,3 · 10–3
Цетановое число, не менее	45	38–40	40–41	41–43
Кислотное число, мгКОН/г	0,06	0,04	0,02	0,02
Температура, °С воспламенения (не менее) застывания (не более)	40	240–320	165	117
	–10	–18	–16	–16
Содержание, % серы, не более золы, не более	0,2	0,0011	0,001	0,001
	0,02	0,01	0,01	0,1
Низшая теплота сгорания, МДж/кг	42,5	34,2–37,5	39,5	40,5
Испытания на медную пластину	Выдерж.	Выдерж.	Выдерж.	Выдерж.

Заключение

В результате исследований предложена структурная схема технологии производства биодизельного топлива, включающая следующие процессы: получение прессования семян рапса; смешивание с минеральным дизельным топливом; очистка смеси фильтрацией и вымораживанием; получение марок биодизеля В-20 и В-70.

Параметры технологического процесса и технического оборудования приведены для линии, производительностью по семенам 450 кг/ч, при выходе сырого масла до 35% от массы семян. При однократном прессовании выход биотопливных композиций может быть снижен пропорционально снижению выхода сырого масла.

Апробированный способ получения биодизельного топлива из некондиционного рапсового масла может найти применение в сельскохозяйственных предприятиях, возделывающих рапс на семена и получающих прессовое масло.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)

PROCESSES AND MACHINES OF AGROENGINEERING SYSTEMS