/Urządzenia do produkcji biopaliwa

WYBRANE ZAGADNIENIA Z TECHNOLOGII PRODUKCJI
BIOPALIWA Z OLEJU RZEPAKOWEGO


  1. WIADOMOŚCI WSTĘPNE.
    Materiałem wyjściowym do produkcji biopaliwa (estrów metylowych kwasów tłuszczowych, oznaczanych skrótowo RME) są tłuszcze roślinne, będące mieszaniną estrów różnych kwasów tłuszczowych i jedynego alkoholu - glicerolu (gliceryny). Oleje wytłaczane z roślin oleistych różnią się między sobą udziałem procentowym estrów glicerynowych nazywanych także glicerydami, wchodzących w ich skład. Z roślin oleistych uprawianych w Polsce najbardziej popularny jest rzepak. W związku z czym olej wytłaczany z nasion tej rośliny jest podstawowym materiałem stosowanym w produkcji biopaliwa przeznaczonego do zasilania silników wysokoprężnych . Pod względem chemicznym biopaliwo jest mieszaniną estrów metylowych kwasów tłuszczowych.
        Przemiana estrowa (alkoholiza) oleju roślinnego (rzepakowego)wywoływana jest przez metanol (alkohol metylowy) w obecności katalizatora, którym może być wodorotlenek potasu (KOH) lub wodorotlenek sodu (Na OH).
        W skrócie, proces przemiany esterowej (alkoholizy) przebiega następująco . Wodorotlenek potasu, wymieszany w odpowiedniej proporcji z alkoholem metylowym, dodawany jest do oleju rzepakowego i intensywnie mieszany. W trakcie mieszania, katalizator przyspiesza reakcję rozpadu wiązań estrowych pomiędzy glicerolem, a resztami kwasów tłuszczowych.
    Wolne kwasy tłuszczowe natychmiast wchodzą w reakcję z alkoholem metylowym i powstają nowe estry nazywane estrami metylowymi kwasów tłuszczowych (RME). Cząsteczki glicerolu pozostają zaś wolne. Tak więc w pierwszej fazie przemiany estrowej powstaje mieszanina estrów metylowych i gliceryny (z pewną zawartością różnych zanieczyszczeń np. soli kwasów tłuszczowych). Powyższa mieszanina pozostawiona na pewien czas w zbiornikach -odstojnikach rozwarstwia się.
    Estry metylowe jako lżejsze, gromadzą się w górnej części zbiornika, gliceryna zaś, o wyższej masie cząsteczkowej, opada na dno zbiornika. Pomiędzy powyższymi fazami powstaje także warstwa pośrednia będąca mieszaniną różnych frakcji (w tym także estrów glicerynowych, które nie uległy jeszcze przemianie estrowej).
    Estry metylowe, odciągnięte z górnej części zbiornika, po odpowiednim oczyszczeniu, stanowią już gotowe paliwo, które może być stosowane zamiennie do zasilania silników wysokoprężnych. Należy dodać przy tym, że silniki nie wymagają żadnej przeróbki technicznej.
        Przemiana estrowa oleju roślinnego zachodzi także po zmianie alkoholu metylowego na etylowy (odwodniony). W związku z tym powstają estry etylowe, także nadające się do zasilania silników wysokoprężnych. Jednak reakcja wymaga dodania znacznie droższego etanolu(obciążonego akcyzą).

  2. ETAPY PRODUKCJI BIOPALIWA Z NASION RZEPAKU.
    W procesie wytwarzania biopaliwa można wyróżnić cztery etapy produkcji:
    • Skup, przygotowanie i magazynowanie nasion rzepaku.
    • Tłoczenie i wstępne oczyszczanie oleju.
    • Rafinacja oleju przed przemianami estrowymi.
    • Przemiany estrowe oleju rzepakowego i końcowa filtracja biopaliwa.
    2.1. Podczas planowania inwestycji należy przeanalizować możliwości zgromadzenia surowca - jakim są nasiona rzepaku, na całoroczną produkcję. Jeśli przyszły producent posiada własne magazyny, może zorganizować skup rzepaku we własnym zakresie.
    Niezbędne są do tego celu następujące urządzenia:
    • przyjęcie nasion: waga pomostowa, kosz przyjęciowy z ciągami transportowymi, zbiornik buforowy skupionych nasion
    • oczyszczalnia nasion (dopuszczalna ilość zanieczyszczeń <2%.
    • suszarnia nasion (dopuszczalna wilgotność 6-7 %)
    • silosy suchego ziarna odpowiedniej pojemności
    2.2. Tłoczenie i wstępne oczyszczanie oleju związane jest ze znacznymi kosztami budowy tej instalacji. Wielkość kosztów zależy od planowanej wydajności, a także od wybranego producenta urządzeń.
    W skład urządzeń wchodzą:
    • zbiornik buforowy na rzepak do produkcji
    • płatkownica nasion
    • prażnia nasion
    • prasa ślimakowa o wydajności odpowiadającej założonej produkcji
    • urządzenia do oddzielania stałych części i filtrowania surowego oleju
    • ciągi transportowe
    Proces tłoczenia i rafinacji oleju przedstawiony jest w postaci schematu blokowego na rys. 1.

    2.3. Rafinacja oleju.
    W procesie rafinacji oleju zostaje obniżona zawartość fosforu i wolnych kwasów tłuszczowych, a także następuje standaryzacja pH. Instalacja składa się z szeregu zbiorników znacznych objętości, mniejszych zbiorników na kwas cytrynowy i ług sodowy, wirówek do odwirowania zbędnych składników, zbiorników na odpady (fosfolipidy i mydła), osuszacza oleju wraz z pompą próżniową, wymienników ciepła i zbiornika buforowego czystego oleju o dobranej objętości . Instalacja zawiera szereg pomp o różnym przeznaczeniu, a także ciągi transportowe.

    2.4. Instalacja do przemian estrowych i oczyszczania biopaliwa.
    Jak wspomniano przemiana estrowa (alkoholiza) oleju roślinnego (rzepakowego) wywoływana jest przez metanol (alkohol metylowy) w obecności katalizatora, którym może być wodorotlenek potasu(KOH) lub wodorotlenek sodu(NaOH).

    Proces wytwarzania RME (biopaliwa) przebiega w następujących etapach (rys. 2):
    • przygotowanie mieszaniny alkoholu metylowego i KOH (w odpowiednich proporcjach)
    • wymieszanie oczyszczonego oleju roślinnego z powyższą mieszaniną w naczyniu zwanym reaktorem,
    • przepompowanie mieszaniny do odstojnika celem oddzielenia surowego RME i gliceryny,
    • odpompowanie surowego RME do drugiego reaktora, zaś gliceryny do oddzielnego zbiornika,
    • drugi proces dozowania mieszaniny metanolu i KOH do surowego RME oraz pomocniczego materiału filtracyjnego (mączki drzewnej),
    • intensywne mieszanie przez pewien czas w drugim reaktorze,
    • odpompowanie surowego RME i poddanie oczyszczeniu na odpowiednich filtrach oraz usunięcie pozostałości metanolu (odparowanie w wyparkach),
    • odpompowanie surowej gliceryny do zbiornika.
    Instalacja powinna pracować w warunkach bezwodnych i powinna być wyposażona w urządzenie wahadła gazowego, urządzenie oczyszczające powietrze wylotowe oraz wykrywacze gazu. W pomieszczeniach produkcyjnych powinny być zainstalowane czujniki zawartości metanolu i RME w powietrzu, a także czujniki przeciwpożarowe.

  3. DANE ILOŚCIOWE.
    Materiałem wyjściowym do produkcji biopaliwa są nasiona rzepaku. Celem wykonania przybliżonych wyliczeń można przyjąć, że dla wyciśnięcia 1000 kg oleju należy zużyć ok. 3000 kg nasion rzepaku. Powyższa ilość oleju pozwoli na wyprodukowanie ~1000 dm3 biopaliwa, przy czym zostaną zużyte inne niezbędne materiały wyjściowe:
    • metanol (odwodniony alkohol metylowy) - 160 dm3
    • wodorotlenek potasu (KOH) - 20 kg
    • węgiel aktywny - 20 kg
    Poza produktem końcowym, jakim jest biopaliwo, w ilości 1000 dm3, powstają odpady:
    • faza glicerynowa (ok. 40-to%) w ilości ~200 dm3
    • odwirowane mydła i inne zanieczyszczenia- śladowe ilości, które są przetransportowane do zbiornika gliceryny
    • śruta rzepakowa o zawartości oleju: 9-12 % (stanowiąca cenny komponent do produkcji pełnoporcjowych mieszanek paszowych), w ilości ~660 kg
    Inne produkty odpadowe, powstające w 2.1. i 2.3. etapie produkcji biopaliwa, odprowadzone są i mieszane ze śrutą rzepakową, stanowiąc dodatkowy cenny składnik.

    Reasumując, w procesie produkcji biopaliwa powstają odpady w postaci śruty rzepakowej i fazy glicerynowej, stanowiące cenny materiał do dalszego zagospodarowania. Nie są więc odpadem kłopotliwym dla ochrony środowiska. Inne odpady nie powstają.

  4. RELACJE CENOWE.
    Kalkulacje cenowe 1 dm3 biopaliwa, wykonane w różnych ośrodkach, są dość zbieżne. Przy pełnym zagospodarowaniu (lub sprzedaniu) śruty rzepakowej i fazy glicerynowej, cena produkcji 1 dm3 biopaliwa waha się w przedziale 1,6 ÷2,0 zł i zależy od skali produkcji. Warunkiem opłacalności jest tłoczenie oleju we własnej tłoczni. Przy zakupie gotowego oleju, produkcja będzie nieopłacalna.
        Koszty budowy instalacji zależne są przede wszystkim od wydajności, jak też od jakości zakupionych urządzeń (wyboru dostawcy).
    Dlatego też na wstępnym etapie rozważań o budowie instalacji, bez znajomości warunków i możliwości inwestora, a także rocznej wielkości produkcji, nie można nawet w przybliżeniu oszacować kosztów inwestycji.
    Każdy przypadek należy analizować indywidualnie po zapoznaniu się z wymaganiami i realiami inwestora.
dr inż. Tadeusz Potocki
TESTMER Warszawa S.A.
Strona główna wersja polska english version russian version