Технология и комплекс технических средств для внутрихозяйственного производства и использования биотоплива из растительных материалов в агропромышленном комплексе страны

Ограниченность источников минерального сырья для производства топлива и невозобновляемость их в природе вынуждает искать новые источники энергии. Эти же факторы способствуют постоянному росту цен на минеральное топливо, что снижает эффективность его использования.

Кроме того, пересмотру стратегии использования минеральных видов топлива способствует всё возрастающий ущерб от отрицательного воздействия их на окружающую среду. Этот ущерб проявляется как при прямом контакте его с атмосферой, почвой, водами и живыми организмами в условиях хранения, транспортирования и применения, так и при сжигании, изменении технологических свойств при производстве.

Таким образом, с точки зрения важнейших факторов современного производства (возобновляемость, экологичность, стоимость), поставленная проблема получения биотоплива является исключительно актуальной и требует постоянного совершенствования.

Наиболее ценными источниками получения возобновляемого топлива в сельскохозяйственном производстве являются масличные культуры, среди которых в 26

условиях Ростовской области предпочтение можно отдать рапсу и подсолнечнику.

Колебание цен на нефть, а также экологические проблемы стимулируют развитие производства биотоплива из растительного сырья как частичного на данном этапе заменителя традиционного минерального топлива.

Централизованное промышленное производство биодизельного топлива требует больших инвестиций и по предварительной оценке обеспечивает более высокую в 1,2–1,4 раза стоимость продукта. Собственное производство биодизеля непосредственно в сельской местности является важной альтернативой промышленному, так как требует небольших инвестиционных затрат, позволяет повысить занятость сельского населения и уровень доходов, а также обеспечить замкнутый технологический цикл от производства сырья, получения топлива до его использования. В связи с этим в 2008 году в Ростовской области был принят Областной закон об Областной целевой программе производства и использования биотоплива на основе растительных масел в агропромышленном комплексе Ростовской области на 2008– 2015 годы. В рамках утвержденной зако- ном программы в Зерноградском районе создан пилотный пункт по производству биодизельного топлива в условиях сельскохозяйственного предприятия ФГУП «Экспериментальное» Россельхозакадемии.

Пункт входит в состав действующей нефтебазы хозяйства (рис. 1). Элементами пункта являются модуль производства растительного масла, модуль производства биодизеля, модуль производства смесевого топлива.

Технологический процесс производства биотоплива представляет собой не- сколько этапов: производство растительного масла, производство биодизеля, производство смесевого топлива.

Получение растительного масла из семян масличных культур обеспечивает модуль «БИОСОИЛ-200» (рис. 2). Качество растительного масла гарантируется применением экструдеров, отжимающих масло методом холодного прессования, что позволяет избавить готовый продукт от вредных ферментов, фосфатидов и получать растительное масло категории В1.

Рис. 1. Пункт производства биодизельного топлива на основе растительных масел

Рис. 2. Модуль производства растительного масла

Рис. 3. Модуль производства биодизеля

Производство биодизеля происходит путем переработки растительных масел методом этерификации в модуле «БИОДОН-1» (рис. 3). В результате полу- 27

чается биодизель (метиловый эфир жирных кислот) и технический глицерин. Модуль состоит из реактора, промывочной емкости, емкости для приготовления раствора катализатора, устройства для смешивания, конденсатора для охлаждения паров метанола, насосов для подачи и циркуляции реагентов в реакторе и выдачи готового продукта, расходомеров для контроля протекания процессов и учета готового продукта, шкафа автоматизированного управления. Оборудование смонтировано в специальном контейнере с приточно-вытяж-ной вентиляцией. Получаемый биодизель по своему молекулярному составу близок к дизельному топливу и может использо- ваться в качестве добавки в дизельное топливо.

Модуль приготовления смесевого топлива (рис. 4) обеспечивает получение топлива для использования в дизельных двигателях внутреннего сгорания. Состоит из емкости для смешивания, гидродинамического смесителя, насосной станции, запорной арматуры, шкафа управления. Модуль обеспечивает получение смеси из дизельного топлива – биодизеля, дизельного топлива – рапсового масла в различном процентном соотношении.

Рис. 4. Модуль производства смесевого топлива

Пункт работает следующим образом. Семена масличных культур (рапс, подсолнечник) поступают в установку для производства растительного масла, где происходит холодный отжим с последующей фильтрацией. Готовое масло перекачивают в накопительные емкости. Далее масло закачивается в необходимом объеме в установку для производства биодизеля. Полученный биодизель фильтруют и перекачивают в накопительную емкость для последующего использования в качестве компонента для приготовления смесевого топлива.

Производительность пункта по растительному маслу – 0,2 т/смены, по биодизелю – 1 т/смену, по смесевому топливу – 1 т/ч. Выход сырого масла составил до 35% при температуре отжима 60°. Выход биодизеля до 85%.

Получаемое на пункте смесевое топливо проверялось по физико-химическим параметрам и по энергетическим показате- лям при использовании в двигателях сельскохозяйственных тракторов.

При введении от 15% до 30% рапсового масла в нефтяное дизельное топливо физико-химические показатели смесевого топлива приближаются к предельным нормам или аналогичным значениям для дизельных топлив.

Проведенные стендовые испытания трактора МТЗ-80 с двигателем Д-240 на смесевом топливе (30% рапсового масла и 70% дизельного топлива) показали, что мощность двигателя остается практически одинаковой в сравнении с работой на дизельном топливе. Экономичность двигателя ухудшается на 4,3% (удельный расход топлива увеличивается на 11г/кВч). Часовой расход топлива увеличивается на 6,3% (0,52 кг/ч).

В таблице 1 приведены физико-химические показатели биодизеля (МЭРМ), смесевого топлива (биодизель + дизельное топливо) в сравнении с дизельным топливом.

Значения показателей биодизельного топлива, полученного из рапсового и подсолнечного масла, незначительно отличаются от показателей дизельного топлива по таким параметрам, как плотность, кинематическая вязкость, температура застывания, температура помутнения. По коэффициенту фильтруемости, массовой доле механических примесей, воды, массовой доле серы биодизельное топливо превосходит показатели минерального дизельного топлива.

Определение мощностных и топливно-экономических показателей проводились путем снятия регуляторных характеристик, при работе двигателя Д-248 на различных смесевых топливах при помощи тормозной установки ПНВ-1750 мощностью 120 кВт при частоте вращения 975 мин-1.

Таблица 1

Физико-химические показатели качества биодизеля и дизельного топлива

Показатель	Л-0,2-40 ГОСТ 305-82	МЭПМ* «БИОДОН-1»	МЭРМ* «БИОДОН-1»	Смесевое топливо 20%МЭРМ / 80%ДТ
Кинематическая вязкость, мм2/с при 20 0С при 40 0С	3,0–6,0	6,8	8,206 5,196	4,87 3,086
Температура застывания, 0С, не выше	-10	-6	–	–
Температура помутнения, 0С, не выше	-5	-2	-3	-4
Температура вспышки: в закрытом тигле, 0 С, не ниже	40	50	56	48
Массовая доля серы, %	0,5	0,04	0,07	0,05
Испытание на медной пластинке	класс 1а	класс 1а	класс 1 а	класс 1а
Содержание водорастворимых кислот и щелочей	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие
Кислотное число, мг КОН/г,	0,5	0,41	0,39	0,11
Йодное число, г йода на 100 г топлива, не более	6	84	86	28
Зольность, % не более	0,01	–	0,0017	0
Коэффициент фильтруемости, не более	3	1,83	1,69	2,4
Содержание механических примесей	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие
Содержание воды	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие
Плотность при 20 0С, кг/м3, не более	860	879	882	831

*МЭПМ – метиловый эфир подсолнечного масла;

* МЭРМ - метиловый эфир рапсового масла.

Мощность двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала при всех шести опытах остается практиче- ски неизменной и составляет 42,5 кВт (табл. 2).

Удельный расход топлива при эксплуатационной мощности на номинальной частоте вращения коленчатого вала при работе на дизельном топливе и смесевом топливе (дизельное топливо 80% – биодизель 20%) находится на одном уровне (230 г/кВтч).

В дальнейшем, при работе двигателя на топливной смеси (топливо дизель-ное+биодизель) в соотношениях: 60% + 40%; 40% + 60%; 20% + 80% соответственно и биодизель – 100% наблюдается ухудшение топливно-экономических показателей двигателя. Удельный расход соответственно составил 241; 243; 255 и

271 г/кВтч, против 230 г/кВтч при его работе на дизельном топливе и на смеси (топливо дизельное – 80% + биодизель – 20%). Увеличение удельного расхода топлива соответственно составило 3,5%; 6,5%; 11,3% и 17,8%.

Часовой расход топлива соответственно составил 10,4; 10,6; 11,0 и 11,8 кг/ч против 10 кг/ч при работе дизеля на смеси (топливо дизельное – 80% + биодизель – 20%), что составило соответственно: 4,0%; 6,0%; 10,0% и 18,0%. Увеличение находилось в пределах от 0,4 до 1,8 кг/ч.

Таблица 2

Показатели	Смеси, % МЭРМ
	0	20	40	60	80	100
Мощность, кВт	42,5	42,7	42,0	42,7	42,2	42,6
Эксплуатационная частота вращения, об/мин.	2000	2000	2000	2000	2000	2000
Частота вращения на холостом ходу, об/мин.	2086	2086	2083	2093	2086	2090
Крутящий момент при эксплуатационной мощности, Нм	202,9	204,0	200,7	204,0	201,8	203,6
Максимальный крутящий момент, Нм	221,7	221,7	215,1	222,8	220,6	221,7
Расход топлива на холостом ходу, кг/ч	3,0	3,0	3,1	3,1	3,2	3,1
Расход топлива при эксплуатационной мощности, кг/ч	9,8	9,8	10,2	10,4	10,8	11,6
Удельный расход топлива при эксплуатационной мощности, г/ч	231	230	242	244	256	272
Неравномерность работы регулятора, %	3,9	3,9	3,8	4,2	3,9	4,1
Запас крутящего момента, %	9,1	8,6	7,1	9,2	9,3	8,9
Частота вращения при максимальном крутящем моменте, об/мин.	1580	1557	1500	1643	1600	1587
Удельный расход топлива, г/кВтч	251	251	259	256	267	279
Изменение удельного расхода топлива, %	0	0	3,2	2,0	6,4	11,2

Параметры регуляторных характеристик двигателя Д-248

В результате тормозных сравнительных испытаний установлено, что работа двигателя на смесевом топливе с содержанием биодизеля более 20% приводит к увеличению удельного расхода топлива – от 3,5% до 17,8% и соответственно увеличению часового расхода топлива от 4,0% до 18,0%.

Общей тенденцией для рассмотренных вариантов производства и использования смесевого биотоплива является увеличение экономической эффективности с ростом ти- 30

поразмера хозяйства (площади пашни) и переходом от производства и использования только биодизеля (МЭРМ) к использованию его в составе смесевого топлива.

Внедрение подобных пунктов производства и использования биотоплива в сельскохозяйственных предприятиях АПК позволит:

– обеспечить большую автономность снабжения топливом машиннотракторного парка сельхозпредприятий на основе возобновляемых местных источников сырья;

– снизить потребность в минеральном дизельном топливе на 15–20% на основных полевых работах;

– повысить эффективность ведения сельхозпроизводства за счет улучшения севооборотов и плодородия почвы при увеличении посевов рапса;

– сократить долю затрат на топливо в себестоимости сельхозпродукции у сельхозтоваропроизводителей, применяющих биотопливо взамен дизельного на 12–18%;

– повысить урожайность зерновых культур, высеваемых вслед за рапсом на 3–8%;

– снизить среднюю себестоимость зерна на 8–12%;

– создать дополнительные рабочие места в сельскохозяйственном производстве;

– улучшить экологическую обстановку за счёт снижения выбросов углекислого газа.