ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

ПОДРОБНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Заявку на получение дополнительной информации по этому проекту можно заполнить здесь.

Наименование инновационного проекта

«Разработка оборудования и технологии по получению биотоплива из растительных масел в сверхкритических флюидных средах». Сверхкритическая технология 21 века.

Рекомендуемая область пременения

Химическая промышленность; производство биодизельного топлива из возобновляемого сырья по сверхкритической флюидной (СКФ) технологии.

Назначение, цели и задачи проекта

Разработка оптимальных технологических режимов получения биотоплива из различных растительных масел (рапсового, подсолнечного, соевого, кукурузного) и отходов переработки растительных масел в сверхкритическом метаноле.

Разработка  технологии и оборудования (лабораторного, пилотного и промышленного) по получению биотоплива путем этерификации растительных масел метанолом в сверхкритическом состоянии.

Рост цен на энергоносители в последние годы заставляет человечество все более энергично переходить на применение новых, нетрадиционных пока источников энергии. Среди них важное место отводится, так называемой, биоэнергетике. Данную проблему рассматривают как реальность во Всемирной Продовольственной и сельскохозяйственной организации (ФАО) при ООН, куда готовится вступить и Российская Федерация, а также Международное энергетическое агентство (МЭА). Согласно анализу современных тенденций, проводимому данными организациями, фиксируется начало постепенного отхода от использования нефти, что приведет к тому, что через 15-20 лет до 25% всей потребляемой энергии будет получаться за счет использования биотоплива. Тому содействует ряд факторов: не в последнюю очередь – это проблема выбросов в атмосферу углекислого газа и связанного с ним парникового эффекта, а также опасения стран-импортеров по поводу излишней зависимости от нефти. В связи с этим, наблюдается постепенное переориентирование сельского хозяйства из крупного потребителя топливных ресурсов в их производителя.

Разработка биодизеля осуществляется в 28 странах, среди которых Япония, Германия и Франция являются самыми большими мировыми производителями биодизельного топлива, источником для производства которого является, в основном, рапсовое масло. Мировое производство семян рапса занимает второе место после соевых бобов и в 2000 г. составило 42,7 млн. тонн. С 1992 в Европе года существует программа по исследованию проблемы биодизеля.

Биодизель - альтернативное биоразлагаемое дизельное топливо. Вырабатываемый из различного растительного и животного сырья, биодизель является чисто сгорающим топливом, которое может либо служить добавкой, либо полностью заменять нефтедизель. Например, топливо европейской марки В20 состоит из 20% биодизеля и 80% традиционного нефтедизеля. По сравнению с обычным дизельным горючим, при сгорании биодизеля выделяется на 10% меньше двуокиси углерода и на 50% меньше сажи. Более того, повышенная маслянистость биодизеля продлевает жизнь двигателей, тем самым снижая издержки на техобслуживание.

Освоение прогрессивной промышленной технологии производства биодизеля и соответствующего оборудования позволяет экспортировать готовый продукт (биодизеля) в страны Европы, где потребность его только возрастает. При этом внедрение биодизельного производства может дать еще и внутриэкономический эффект. Используя в качестве сырья растительное масло, сельскохозяйственные производители смогут сами обеспечивать свои потребности в топливе. Это позволит, в свою очередь, повлиять на стабилизацию цен производимой сельхозпродукции и повысить рентабельность сельскохозяйственного производства вне зависимости от цен на нефть.

Применение сверхкритических флюидов в качестве альтернативных растворителей и реакционных сред все более востребовано современной промышленностью. На основе их применения разрабатываются новейшие технологии, в том числе и по получению биодизельного топлива, находящего применение на городском транспорте и в двигателях внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Традиционная технология трансэтерификации жирных кислот методом щелочного катализа.

По традиционной технологии биодизель получается в результате химической реакции жиров или масел со спиртами в присутствии щелочного катализатора. Продуктом реакции является смесь метиловых эфиров, которые известны как биодизель, и глицерин, являющийся со-продуктом с высокой стоимостью. Данный процесс известен как трансэтерификация, которая описывается в уравнении ниже, где R1, R2  и R3  - это длинные углеводородные цепи, называемые цепями жирных кислот.

Катализатор используется для улучшения скорости и реакции и выхода. Теоретически, реакция трансэтерификации является равновесной, поэтому для смещения реакции в правую сторону и образования большего количества метиловых эфиров как целевого продукта используется избыточное количество метанола. Вместо метанола могут использоваться этанол, пропанол, бутанол и амиловый спирт. Преимущество метанола состоит в том, что он более дешев и имеет физические и химические преимущества (полярный, короткоцепочечный спирт).

Биодизель по традиционной технологии получают из промышленного сырья, содержащего низкий уровень свободных жирных кислот (СЖК). К такому сырью относятся очищенные масла сои, рапса и отходы ресторанных масел высшего сорта. Спирт, катализатор и масло помещаются в реактор и перемешиваются примерно в течение 1-2 часов при 60-670С. Небольшие заводы используют реактор бачерного типа, а заводы большего объема (> 4 млн литров/год) используют непрерывный проточный процесс, включающий реакционный аппарат с мешалкой или реактор, работающий по принципу вытесняющего потока. Реакция проводится в два этапа: на первой стадии в масло добавляется приблизительно 80% спирта и катализатора. Затем продукт вытекает из реактора, проходя стадию удаления глицерина, и поступает во второй реактор, где проходит вторая стадия. Сюда добавляются оставшиеся 20% спирта и катализатора.

При успешной реакции получается 2 жидкие фазы: эфиры и глицерин-сырец. Глицерин-сырец тяжелее жидкости, и собирается на дне после нескольких часов отстаивания или центрифугируется.  Фаза разделения может наблюдаться уже после 10 мин и достигает окончания после 2-х часов отстаивания.  Избыток метанола в данном случае будет работать как растворитель и может замедлять процесс сепарации по 20 часов. Однако, чтобы не допустить обратной реакции трансэтерификации, этот излишек обычно не удаляется из реакционного потока, пока глицерин и метиловые эфиры не разделятся.

После отстаивания для отмывки метиловых эфиров добавляется вода в соотношении 5.5 % на объем метиловых эфиров, смесь взбалтывается и глицерин осаждается снова. Отмывание эфиров – двустадийный процесс, который требует крайней осторожности и может повторяться до полной отмывки.

После отделения от глицерина, метиловые эфиры перед отмыванием водой проходят стадию нейтрализации кислотой, которая способствует уменьшению потребляемой воды и минимизирует возможное образование эмульсии воды с биодизелем. Стадия отмывки водой предназначена для удаления остатков растворителя, мыла, солей, метанола или свободного глицерина из биодизеля. После процесса отмывки, остаток воды и метанола удаляется из биодизеля прямым вакуумированием или выпариванием.

Смесь, вытекающая из сепаратора, содержит только около 50% глицерина. Кроме глицерина здесь содержится переизбыток метанола и большее количество мыла и катализаторов. В этой форме глицерин не имеет большой стоимости и требуется дополнительная обработка для удаления опасного остатка метанола и других примесей. Процесс очистки имеет три стадии: 1 – расщепление мыла до свободных жирных кислот и соли добавляемой кислотой; 2 – удаление свободных жирных кислот и осажденных солей; 3 – удаление метанола вакуумированием или выпариванием. После этого глицерин должен иметь чистоту, примерно 85%, и в таком виде он обычно продается как очищенный глицерин. В ходе дополнительной очистки вакуумной дистилляцией или ионно-обменным процессом глицерин достигает чистоты от 99,5 до 99,7%.

 Метанол, удаленный из метиловых эфиров, и глицерин имеют тенденцию поглощать любое количество воды, что может возобновить процесс. Воду необходимо удалить перед возвращением метанола в производственный процесс. Эта стадия наиболее трудна, и если применяется как этанол или изопропанол, то они используется в виде азеотропной смеси с водой.

Для снижения зависимости от качества сырья, в том числе по показателю содержания СЖК, в технологический процесс может быть включена стадия дополнительная обработки с кислотным катализатором (H2SO4), как это показано в следующей реакции:

Как показано, в ходе реакции образуется вода, и если она накапливается, то может произойти остановка реакции в результате снижения активности катализатора, а это резко снижает выход готового продукта. Чтобы устранить этот недостаток, в технологическую цепочку включают дополнительные стадии по удалению воды или спирта из реакционной смеси. Кроме того, требуется дополнительная стадия по регенерации метанола, который образует смесь с водой и частью масла, для возвращения его в производственный цикл. Таким образом, цена восстановления метанола определяет осуществимость процесса.

Таким образом, технология получения биодизеля по традиционной технологии является многостадийной и цикл занимает 6-8 часов, а применение щелочного катализатора связано с определенными проблемами, которые кардинальным образом не меняются при добавлении стадии с кислотным катализатором или при замене его на энзимы. Проблема в том, при повышенном содержании воды и СЖК происходит образование мыла, которое уничтожает катализатор и уменьшает его эффективность, все это в результате снижает превращение жиров в эфиры. Щелочной катализ

· повышает требования к качеству исходного сырья по содержанию СЖК, что приводит к необходимости его рафинирования. При этом стоимость высокочистого сырья определяет стоимость конечного продукта;

· приводит к необходимости водных промывок, затрудняет сепарацию слоев из-за образования поверхностно-активных продуктов (мыла);

· включает дополнительные стадии вакуумироания или паровой дистилляции, повышающие энергоемкость производственной технологии;

· в силу длительности процесса (до 8 часов), приводит к необходимости использования громоздких реакционных аппаратов (для периодических процессов) или каскада колонных реакторов и сепараторов (для непрерывных процессов), большому количеству вспомогательных стадий и оборудования, увеличению числа обслуживающего персонала, расходу на амортизацию оборудования и т.д.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Сверхкритическая трансэтерификация в среде СК-метанола.

Большинство процессов получения биодизеля использует щелочные катализаторы в реакторах бачерного типа. Недостатком метода щелочного катализа является необходимость проведения дополнительной обработки сырья, как то: обезвоживание и снижение уровня СЖК до >5% (кислотное число >1), чтобы получить максимальный выход метиловых эфиров. В результате, СЖК не являются при данном методе источником метиловых эфиров, что априори снижает потенциальный выход продукции. При этом все равно приходится прилагать дополнительные усилия по удалению катализатора и продуктов омыления, получающихся из свободных жирных кислот, включать стадии обезвоживания, увеличивать расход катализаторов на стадию предподготовки сырья, удлиняя тем самым цепь технологических операций.

Нами предлагается метод получения биодизеля без применения катализаторов, основанный на применении сверхкритического (СК) метанола. Сверхкритическая обработка при 350 0с и 35 МПа в течение 240 сек. при молярном соотношении 42 части метанола – это оптимальные условия для трансэтерификации рапсового масла при получении биодизеля. Преимущество метода в том, что в СК-метаноле присутствующие в масле СЖК мгновенно этерифицируются. Вязкость получаемых метиловых эфиров несколько выше, чем у нефтедизеля, и варьирует от 2,8 до 3, 5 мм2/s при 37 0С. В то время, как вязкость нефтедизеля равна 2,7 mm2/s при 37 0С.

Типичная схема установки для осуществления процесса сверхкритической метанольной трансэтерификации показана на рисунке 1.

Рисунок 1.  Схема сверхкритической трансэтерификации с метанолом. 1 - автоклав; 2 - электрическая печь; 3 - термодатчик; 4 - датчик давления; 5 - клапан для выхода продукта; 6 - конденсатор; 7 - сборник.

Стехиометрическое соотношение для реакции трансэтерификации требует на 3 моля спирта 1 моль триглицерида, которые обеспечивают выход 3-х молей эфиров жирных кислот и 1 моля глицерина. Боле высокое мольное соотношение повышает выход эфиров в более короткое время. Поэтому для повышения скорости реакции растительное масло подвергается трансэтерификации при соотношении мольных объемов масла и спирта 1:6 (каталитический метод) и 1:42 в сверхкритических условиях.

На выход реакции по превращению жирных кислот в эфиры влияют как температура, так и давление. Выход эфиром при повышении температуры до 366,85 0С составляет  96,8 – 97,9% для различных масел. Выбор температуры и продолжительности реакции зависит от используемого масла.

Известно, что на выход и успешность проведения реакции при традиционном методе щелочного катализа большое влияние оказывают присутствие воды и СЖК. В работах Saka  и Kusdiana(D. Kusdiana, S.Saka. 1stWorldConferenceonBiomassforEnergyandIndustry, Vol.1, pp563-566, Sevilla, Spain, 5-9 June 2000) убедительно показано, что в среде СК-спиртов (этанола, метанола и др.) реакции трансэтерификации и этерификации происходят без катализаторов весьма успешно и быстро, при этом количество воды и качество сырья, каким бы низким оно не было, не влияет на полноту и выход реакции.

В таблице 1 показан выход метиловых эфиров из различных типов сырья, обработанного СК-метанолом, и методами щелочного и кислотного катализа. Масла после жарки и отходы от производства пальмового масла имеют высокое содержание СЖК. И представленных данных видно, что выход продукта в присутствии СЖК в результате щелочного катализа значительно ниже, чем при кислотном катализе. Однако, этерификация отходов пальмового масла с высоким содержанием воды была не состоятельна, как в случае щелочного, так и кислотного катализа. Напротив, все реакции в среде СК-метанола проходили с полной конверсией жирных кислот, как для рапсового масла, так и для пальмового. Эти результаты позволяют заявить, что СК-метилирование пригодно для обработки сырья любого качества, начиная от масла-сырца, заканчивая отходами масляного производства.

Таблица 1. Сравнение выхода метиловых эфиров, полученных методами СК-метанола, щелочного катализа и кислотного катализа.

Растительное масло

Содержание СЖК* (wt%)

Содержание воды (wt%)

Выход метиловых эфиров (wt%)

Щелочной катализ

Кислотный катализ

СК-метанол

Рапсовое масло

2,0

0,02

97,0

98,4

98,5

Пальмовое масло

5,3

2,1

94,4

97,8

98,9

Использованные жарочные жиры

5,6

0,2

94,1

97,8

96,9

Отходы пальмового масла

>20,0

> 61.0

Реакция не идет

Реакция не идет

95,8

* Весовой процент свободных жирных кислот (СЖК) по отношению к растительному маслу

Оптимальные условия реакции зависят от типа масла. Для высоко-насыщенных растительных масел, таких как кокосовое и хлопковое, требуется относительно более длительная обработка для достижения высокой трансформации. Условия обработки соевого и кукурузного масел схожи с таковыми для рапсового масла, поскольку близки по составу жирных кислот. Для всех видов масла характерен высокий уровень трансформации в метиловые эфиры.

Отделение метиловых эфиров от реакционной смеси является важной стадией биодизельного производства. В традиционных процессах сепарация обычно осуществляется вместе с процессом очистки. Этот процесс включает центрифугирование, отстаивание и повторное отмывание водой до получения метиловых эфиров и глицерина. В методе СК-метанола процесс отделения метиловых эфиров от глицерина из реакционной смеси упрощается ввиду отсутствия продуктов омыления и происходит гораздо легче в присутствии воды, поскольку глицерин остается в водной фракции внизу, в то время как эфиры всплывают (см. рис.2). В одностадийном методе СК-метанола без добавления воды глицерин растворяется в метаноле, поскольку при избытке спирта часть глицерина может растворяться в метиловых эфирах. В этом случае удаление метанола должно производиться первым после получения раздельных фракций метиловых эфиров и глицерина.

Основная идея обработки СК-флюидами заключается в существовании взаимосвязи между давлением и температурой и их влиянием на термофизические свойства растворителя (метанола), такие как диэлектрическая константа, вязкость, удельный вес и полярность. Например, степень ионизации, которая является важным показателем в химической реакции, может быть повышена при увеличении давления. Таким образом, при обработке растительных масел СК-метанолом в добавок к своему воздействию как регента, метанол выполняет роль кислотного катализатора. Плюс к этому, диэлектрическая постоянная метанола сильно изменяется приближаясь к диэлектрической постоянной растительного масла, что позволяет образовываться гомогенной смеси при  СК-условиях. 

Поскольку вода, как и метанол, в СК-условиях также ионизируется, она тоже приобретает кислотные свойства и становится кислотным катализатором, более сильным, чем метанол. Это может быть объяснением, почему конверсия метиловых эфиров может достигать 100%. Таким образом, присутствие воды положительным образом воздействует на образование метиловых эфиров при трансэтерификации триглицеридов и этерификации жирных кислот в среде СК-метанола.

Рядом авторов исследовался вопрос получения биодизельного топлива в среде различных сверхкритических спиртов без присутствия катализаторов. Было установлено, что трансэтерификация подсолнечного масла в сверхкритическом метаноле и сверхкритическом этаноле при различных температурах (200-400°С) под давлением 200 бар происходит с почти полным преобразованием жиров. При исследовании воздействия различных СК-спиртов (метанол, этанол, 1-пропанол, 1-бутанол и 1-октанол) на трансэтерификацию триглицеридов выяснилось, что при увеличении длины алкильной цепочки спирта время протекания реакции увеличивается, хотя во всех случаях происходит полное преобразование жирных кислот.

Характерной чертой СК-метанольного метода с добавлением воды является простота разделения продуктов реакции, поскольку глицерин, со-продукт реакции  трансэтерификации, легче растворяется в воде, чем метанол. Метод с применением СК-метанола предлагает более простой и экономичны технологический процесс и позволяет использовать для производства биодизеля сырье, вне зависимости от его качества: масло-сырец, соапсток и масла/жиры с высоким содержанием воды и свободных жирных кислот.

Устранение необходимости стадии очищения и отмывки водой, характерной для традиционного каталитического метода, сокращение времени реакции с нескольких часов до 4-10 минут (в зависимости от вида растительного масла) и упрощение самого технологического процесса позволяет уменьшить себестоимость продукции, установки и ее эксплуатации.

Несмотря на то, что бытует ряд предубеждений относительно стоимости оборудования и реализуемости СК-процесса (высокие температура и давление) трансэтерификации жирных кислот, а также приверженность к уже хорошо известному и привычному традиционному методу этерификации жиров, применение сверхкритических флюидов в качестве растворителей и реакционной среды имеет большое будущее.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Разработка биотоплива осуществляется в 28 странах, среди которых Япония, Германия и Франция являются его самыми большими мировыми производителями; источником для производства биодизеля является, в основном, рапсовое масло. Мировое производство семян рапса занимает второе место после соевых бобов и в 2000 г. составило 42,7 млн. тонн.

На сегодняшний день использование биотоплива в Евросоюзе регламентировано законодательно. Директива 2003/30/ЕС Европейского парламента и Совета ЕС от 8 мая 2003 года относительно более широкого использования биологического и прочих видов топлива из возобновляемого сырья, четко определяет минимальный уровень биотоплива, который должен содержаться в минеральных топливах: к концу 2005 г. - 2%, а к 2010 г. - 5,75%. Годовые темпы прироста производства биотоплива составляют 25-35%. Еврокомиссия предлагает к 2020 году удвоить долю БТ в структуре потребления бензина на территории стран ЕС и довести ее до 10%, что составляет 1/5 от  ежегодно потребляемого углеводородного топлива автотранспортом стран-членов ЕС, получаемого с помощью  альтернативных источников энергии.

Страны Европы в настоящее время интенсивно осуществляют строительство новых мощностей по производству биодизеля. Во Франции, например, 4 завода общей мощностью 800 тыс. т должны быть сданы в эксплуатацию в 2007 г. Финский энергетический концерн Fortum инвестирует 100 млн евро в создание к 2007 году производства БТ в Порвоо. В Великобритании корпорация BiofuelCorp. завершает строительство в Тисайде самого крупного британского биодизельного завода мощностью 250000 тонн в год, ориентированного на внутренне потребление и импорт продукта в Европу. На этих предприятиях, так же, как и на ряде ныне действующих заводах, будет производиться смесь, состоящая из  30% рапсового или подсолнечного масла с 70% дизельного топлива. По данным на 2005 год, в Германии действуют около 12 централизованных и 80 децентрализованных заводов по производству рапсового масла, а 8 фирм Германии  выпускают из него топливо. Эксперты прогнозируют, что к 2010 г. потребление   биотоплива увеличится до 11 млн. т, в то время как декларируемые Еврокомиссией объемы потребления - 19 млн. т. По информации Департамента Сельского Хозяйства США (U.S. DepartmentofAgriculture - USDA) на 2006 г., суммарные мощности по производству  биотоплива в странах ЕС превышают 4 млн.т в год. В таблице 2 представлено увеличение объемов  производства биодизеля в странах ЕС.

Таблица 2. Производство биодизеля в станах ЕС в 2004 г. и в 2006 г. (тыс. тонн) (по данным Fediol и EBB-Евросоюз по биодизелю).

Страна

2004 г.

середина 2006 г.

Германия

1 035

1 900-2 100

Франция

348

600-800

Италия

320

500-550

Великобритания

-

250

Австрия

57

150

Польша

-

100-120

Испания

13

70-80

Словакия

15

70-80

Чехия

60

60-70

Дания

70

30-40

Швеция

1

8-10

Ирландия

-

5

В США и странах ЕС государство предлагает производителям БТ налоговые льготы и субсидирует 80% затрат на строительство новых заводов, что стимулирует  рост производства биодизеля (468,72 млн. л в 2005 г.).

Лидером по производству биодизеля в Европе является Германия, которая ежегодно потребляет его 2 млн. тонн, что составляет 7% от всего уровня потребления дизельного топлива (275 млн.тонн). По итогам 2005 года доля биотоплива в структуре потребления бензина в странах ЕС составила 1%, в том числе в Германии - 3,75%. В 2006 году объем потребления биотоплива составил 3 млн. тонн.  Уже сейчас Германия планирует сокращение потребление нефти к 2020 году на 12%, т.е. до 100 млн. тонн. То же самое происходит и в остальных странах ЕС.

Следует отметить, что  производство биодизеля в странах Евросоюза ограничено площадью  пахотных земель и урожайностью масличных культур. Несмотря на постоянное увеличение посевных площадей (+3% ежегодно), складывается структурный дефицит рапса. Польша, например, в 2004 г. увеличила производство рапса сразу на 40%. В Германии под посевы рапса выделяется  10% площадей пахотных земель (~ 1,2 млн.  га). В Евросоюзе (сведения на 2005 г.) под рапс отводится ~ 7 млн. га, с перспективой увеличения до 12 млн.га. Расширение посевных площадей Евросоюза, происходит в основном за счет новых членов ЕС. Для получения биодизеля используется треть общеевропейского урожая рапса. В дальнейшем ЕС рассчитывает на потенциал прибалтийских государств и Украины.

По данным Министерства сельского хозяйства Ростовской области потребность в дизельном топливе по области составляет 17.500-30.000 тонн в год, при стоимости нефтяного дизеля около 18 рублей за 1 литр. Годовая потребность сельского хозяйства в дизельном топливе по России составляет около 2,3-2,6 млн. т/год. Для обеспечения потребности в рапсе для производства биодизеля необходимо засеять до 4 млн. га пахотных земель. Например, в Германии под рапс отводится примерно 1,3 млн. гектаров сельскохозяйственных земель (10%). Однако этот показатель для России не является фантастическим, поскольку под рапсом уже занято около 2 млн. га. В основном, рапс культивируют в Ростовской и Волгоградской областях, в Ставропольском и Краснодарском краях и в Татарстане. Общие потребности страны в биодизеле с учетом возможности экспорта на сегодняшний день оцениваются в 2 млн. тонн в год. При стандартной производительности европейского завода 200.000 тонн в год, требуется строительство 10 заводов, работающих по традиционной каталитической технологии. Стоимость такого завода составляет около 33 млн. доллларов.

Кабардино-Балкарской сельскохозяйственной академией были проведены расчеты производства и использования рапсового масла для фермерского хозяйства с общей посевной площадью 100 га. Хозяйство может полностью обеспечить себя топливом, если на 20 га будет возделывать озимый рапс. При урожайности в 25 ц/га с этой площади можно собрать 50 т маслосемян, а из них получить 16 т масла. При пятипольном севообороте на выполнение всех работ потребуется 10.8 т моторного топлива в год, соответственно, необходимо 8.1 т рапсового масла.

По расчетам украинских экономистов производство биодизеля по себестоимости может быть очень выгодным для сельхозпроизводителей. Кооператив фермеров, имея в своем распоряжении от 1000 до 10000 га пашни, может быстро и с выгодой окупить установку по производству и этерификации рапсового масла (имеется в виду традиционная технология). Для обработки 5000 га земли в течение года требуется около 325000 литров (65 л/га) метиловых эфиров рапсового масла (МЭРМ). При этерификации из 1 тонны рапсового масла и 110 л метанола получается 1 т биодизеля и 100 кг глицерина. При средней урожайности рапса 18 ц/га и получении из 1 т семян около 340 кг масла с 1 га можно получить 600 кг биодизеля, что позволит обработать 10 га пашни.

Следовательно, для полной обработки 5000 га пашни в течение 1 года достаточно засадить рапсом 10% имеющейся земли. Это при условии, что биодизель используется как 100% дизельное топливо. При использовании смеси биодизеля с нефтедизелем в соотношении 70:30 засеваемая под рапс площадь уменьшается до 3,4%. Таким образом, для обработки 5000 га пашни требуется около 300 тонн 100% биодизеля, для чего достаточно установки производительностью 1 т/сутки.

Технология переработки растительных масел в биодизель традиционным способом имеет много общего с получением растительных масел пищевого назначения.

Для того, чтобы получить 1 т биодизеля нужно переработать, примерно, 2.2-2.5 т рапса. Производственные затраты на получение 1 тонны биодизеля  представлены в таблице 3.

Таблица 3. Производственные затраты на 1 т биодизельного топлива.

№/№

Наименование

В натуральном выражении, ед. изм.

В денежном выражении, руб.

1.

Рапсовое масло

Ок. 1 т

7 560

2.

Метиловый спирт

110 л.

660

3.

Раствор метила натрия

40 кг

100

4.

Раствор соляной кислоты (14,5 руб/кг) или

Едкий калий (32 руб/кг)

25 кг

360

или

800

5.

Электроэнергия

17 кВт

47

ИТОГО производственные затраты

8727 или 9167

(в завис. от катализатора)

Таким образом, из 1 тонны рапсовых семян получается примерно 300 кг (30%) рапсового масла, а из него около 270 кг биодизельного топлива. Кроме того, отходами производства рапсового горючего являются глицерин, который при должной степени чистоты можно использовать в фармакологии и рапсовый жмых (корм для скота). С учетом этих составляющих, выручка при переработке 1 тонны рапсовых семян на биодизельное топливо составляет порядка 31,5 тыс. рублей (см. табл.4).

Таблица 4. Стоимость продукции, получаемой при производстве биотоплива.

№/№

Наименование

В натуральном выражении, ед.изм.

В стоимостном выражении, руб

1.

Биотопливо

1 тонна

27 300*

2.

Глицерин

100 кг

4 246**

ИТОГО

31 546

*   Оптовая отпускная цена на биодизель в Германии составляет порядка 65—67 евроцентов, тогда как розничная цена на колонках доходит до 90 евроцентов за литр.

  **   Оптовая цена 1 кг глицерина с НДС  составляет 38,6 рублей.  

            Издержки на производство биодизеля зависят от мощности и типа (бачерный или проточный) установки (см. табл.5).

Таблица 5. Издержки на производство биодизеля в зависимости от мощности установки.

Мощность установки, т/год

2.000

15.000

75.000

125.000

Инвестиции, млн. евро

1.5

10.0

12.5

25.0

Производственные издержки евро/т*

288

196

76

87

*    Плотность биодизеля при температуре в 15°С составляет 0,875-0,890 г/мл (согласно европейским стандартам).

Таким образом, на европейском рынке биодизеля – альтернативного топлива из возобновляемого сырья для двигателей внутреннего сгорания, – сложилась ситуация, позволяющая России существенно усилить свое влияние на этот перспективный сектор экономики Евросоюза. Место России может быть двояким. С одной стороны, обладая посевными площадями, Россия способна удовлетворить любой спрос в исходном сырье, и в дальнейшем оставаясь сырьевым придатком Европы. С другой стороны, освоив прогрессивную промышленную технологию производства биодизеля и соответствующего оборудования, она может стать крупнейшим экспортером готового продукта (биодизеля) на континенте. При этом внедрение биодизеля на территории России может дать еще и внутриэкономический эффект. Используя в качестве сырья растительное масло, сельскохозяйственные производители смогут сами обеспечивать свои потребности в топливе. Это позволит, в свою очередь, повлиять на стабилизацию цен производимой сельхозпродукции и повысить рентабельность сельскохозяйственного производства вне зависимости от цен на нефть.

               

Создаваемый комплекс технологических процессов должен обеспечивать разработку, серийное производство и внедрение в практику нового поколения экологически безопасного технического оборудования для производства возобновляемого биодизельного топлива из растительных масел, альтернативного нефтяному биодизельному топливу.

Сверхкритическое оборудование должно быть представлено к сертификационным испытаниям, ориентированным для переработки возобновляемого биодизельного топлива без применения катализаторов из различных растительных масел, не требующих дополнительной доочистки. Создаваемое технологическое оборудование должно обеспечить: максимально полную переработку исходного сырья; высокую экологичность процесса, исключающую загрязнение окружающей среды; технологичность производимого продукта и его идентичность с существующим аналогичным, получаемым по традиционной технологии каталитического метилирования.

Использование сверхкритических флюидов позволит существенно изменить в лучшую сторону экономику производства биодизеля за счет упрощения технологического процесса, уменьшения времени протекания технологического цикла (с 4-6 часов до 3-5 минут), за счет снижения стоимости промышленного оборудования 1,2 - 1, 5 раз.

Разрабатываемая технология должна обеспечить:

- высокую экологичность процесса, исключающую загрязнение окружающей среды и продукции;

-предусматривать возможность использования в качестве сырья растительных масел, полученных из различных масличных культур, без учета уровня содержания свободных жирных кислот, которое является лимитирующим фактором при традиционном каталитическом производстве биодизеля;

- получение топлива из возобновляемых ресурсов, соответствующее по качеству уже имеющемуся на рынке биодизелю;

- более полную трансформацию (до 95%) растительных масел в биотопливо, по сравнению с традиционным методом;

- упростить технологическую цепочку процесса за счет исключения таких операций, как очистка от катализатора, промывка и разделение готового продукта от соапстока.

Разработанное оборудование должно обеспечивать:

- получение биодизельного топлива путем переэтерификации растительных масел в сверхкритическом метаноле;

- получение высокой степени производительности процесса метилирования сырья (до 95%) с уменьшением времени протекания реакции переэтерификации с 6-8 часов до 4-10 минут;

- работу в замкнутом цикле;

- безопасность и экологичность производства;

- интервалы рабочего давления и температуры для флюида (метанола) от 7 МПа до 30 МПа, при температурах от 150 до 300 0С.

Возобновляемое топливо из растительных масел, полученное по технологии сверхкритического метилирования на разрабатываемом оборудовании, должны отвечать условиям его массового применения в качестве альтернативного топлива для дизельных двигателей в качестве добавки к нефтяному дизелю или как самостоятельное топливо.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Метод с применением сверхкритического (СК) метанола, в отличие от традиционной каталитической технологии, предполагает более простой процесс, который более толерантен к различным видам растительных масел и может использовать в качестве сырья масла с повышенным содержанием свободных жирных кислот и воды. Сырье не требует предварительной дезодорации и винтеризации, и им может служить: масло-сырец, отходы масляного производства, использованные масла после жарки, животные жиры, т.е. сырье без предварительной подготовки и очищения.

Таким образом, удешевление производства, в первую очередь, возможно за счет использования любых нерафинированных растительных масел с любым показателем кислотного числа, в том числе масло-сырец, низкие по стоимости отходы масляного производства и использованные масла и жиры. При этом выход биодизеля составляет не менее 97% из любого типа сырья. Получаемый биодизель всегда имеет стабильное качество вне зависимости от качества сырья.

Снижение себестоимости продукции при применении сверхкритической флюидной технологии способствует удешевлению технологического цикла получения биодизеля на 15-20% за счет сокращения потребления энергоресурсов, уменьшения числа технологических этапов и удешевления исходных химических реагентов. Производственные издержки для биодизельного топлива, получаемого из рапсового масла, равны примерно 0,50$ за л,  по сравнению с 0,63$/л для обычного каталитического метода.

Применение СК сред в технологии получения биодизеля существенно сказывается на сокращении времени процесса. Реакция в СК- флюидах происходит очень быстро, буквально за минуты, в то время, как производственный цикл по традиционной технологии составляет около 6-8 часов. Это способствует снижению энергозатрат и повышению производительности установки. Только за счет сокращения времени процесса, потребность в энергии уменьшается в 4 раза, по сравнению с традиционными методами.  При подобной производительности становится возможным уменьшить габариты установки, тем самым, снизив ее себестоимость.

Упрощение технологии и уменьшение технологических этапов (до 1-2 стадий) приводит к снижению трудоемкости процесса. В виду компактности установки, она не требует для обслуживания много операторов. Данные факторы  также влияют на себестоимость процесса

В результате трансэтерификации СК-метанолом не происходит образования мылов, что характерно для каталитических методов. Это позволяет исключить стадии отмывки и повторной этерификации из технологического цикла. В результате получаются хорошо отделяемые друг от друга две фракции: раствор глицерина в воде внизу и метиловые эфиры вверху. Неиспользованный в реакции излишек метанола (или иного спирта) легко разделяется за счет сброса давления и возвращается в технологический цикл.

Получаемый в качестве со-продукта глицерин сразу же имеет высокую концентрацию и минимальное количество загрязнений, что повышает его продажную стоимость. Таким образом, чем чище глицерин, тем ниже цена биодизеля. Глицерин, широко используеьтся в фармацевтической и лакокрасочной промышленностях.

Экономические преимущества для потенциального инвестора по предлагаемой к разработке технологии очевидны в том, что технология и оборудование являются отечественными, произведенными с использованием отечественных узлов и материалов.

Установка по производству биодизеля легко вписывается в технологический цикл по производству растительных масел, является экологически безопасной, а также не требует дополнительных расходов по утилизации отходов.

Результаты экспериментов показали, что сверхкритическая обработка метанолом рапсового масла при температуре 350°С, 30 МПа и 240 сек. с молярным соотношением метанола к маслу 42:1 является оптимальным условием для трансэтерификации масла в биодизельное топливо. Сравнение получения биодизеля традиционным методом и СК-метанолом приведены в таблице 6. Полученные метиловые эфиры схожи с теми, что производятся посредством обычного каталитического процесса. Поскольку типичные свойства биодизеля в основном управляются составом метиловых эфиров, это означает, что биодизельное топливо, произведенное СК-методом, имеет сходные характеристики с коммерческими видами биодизельного топлива.

Таблица 6. Сравнение традиционного каталитического метода и метода с применением СК-метанола по производству биодизельного топлива из рапсового масла.

Традиционный метод

Метод с СК-метанолом

Время реакции

2 – 6 часов

240 сек.

Условия реакции

0,1 Мпа, 30-65°С

35 МПа, 350°С

Катализатор

Кислота или щелочь

Отсутствует

Свободные жирные кислоты

Продукты  омыления

Метиловые эфиры

Выход

97% (нормальный)

98,5% (и выше)

Подлежит удалению при очистке топлива

Метанол, катализатор и омыленные продукты

Метанол

Схема процесса

Более сложная

Простая

В таблице 7 показаны выход метиловых эфиров и глицерина после обработки рапсового масла метанолом в сверхкритических условиях. В реакционный сосуд помещалось 2,00 г рапсового масла и 3,36 г метанола.

Таблица 7. Выход сложных метиловых эфиров при метанолизе

Метод

Выход, г (%)

Сложные эфиры

Глицерин

В сверхкритических условиях

1,98 г (99 %)

0,23

Традиционный метод

1,95 г (97,5%)

0,23

Таким образом, достоинство метода состоит в том, что этот процесс может проходить без катализатора, имеет упрощенный процесс очистки и разделения продуктов реакции и более высокий выход метиловых эфиров. Вдобавок, потребление энергии в этом процессе ниже. Когда рассматриваются эти преимущества, то метод со СК-метанолом будет более эффективен и рационален, чем обычный коммерческий процесс. Поэтому сверхкритический процесс дает потенциально более низкие издержки при сокращении себестоимости по сравнению с каталитическим методом на 15-20% при упрощенной технологии производства альтернативного топлива для дизельных двигателей. Высокий выход метиловых эфиров, получаемый методом, не загрязняющим окружающую среду, делает эту технологию идеально подходящей для промышленного применения.

Все вместе взятое, позволяет говорить, о возможности существенного снижения себестоимости биотоплива, что, несомненно, положительно скажется на рентабельности его производства и привлекательности на рынке как продукта.

Высокая производительность.

Себестоимость биодизельного топлива на 15-20% дешевле, по сравнению в биодизелем, получаемым по каталитической технологии. Производительность установки напрямую зависит от величины и типа реактора (бачерный или проточный)  в установке. Производственный технологический цикл составляет 10-20 минут.

Энергосбережение.

Питание электрооборудования установки производится от трехфазной электрической сети переменного тока мощностью не менее 0,5 кВА.

Количество производственных циклов сокращается до 1-2- этапов, по сравнению с традиционной технологией.

Сырье не требует предварительной обработки и стандартизации по содержанию СЖК и воды.

 Экологическая безопасность.

            Работа установки осуществляется в замкнутом цикле, что исключает выброс растворителя в окружающую среду.

            Для осуществления процесса не требуется применение едких щелочей и органических кислота, таких как H2SO4.

Существует возможность замены токсичных веществ, использующихся в качестве реагента, на безопасные.

Новые потребительские свойства продукции

Высокая эффективность технологических процессы;
Компактные габаритные объемы установок;
Высокая добавочная стоимость производимой по данной технологии продукции по сравнению с аналогичной.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным и международным стандартам.

Стадия и уровень разработки

В лабораторных условиях получены образцы биодизельного топлива из различного вида растительного сырья с применением сверхкритического метанола и этанола. Определены качественные характеристики образцов и сопоставление с аналогами. Результаты показали соответствие состава полученных и контрольных образцов.
Имеются технические и конструкторские наработки по разработке и производству оборудования, работающего в условиях сверхкритических процессов.
Была собрана информационная база по имеющимся разработкам, технологиям и опыту исследовательского и практического применения сверхкритических флюидов в области обработки различных видов сырья. Определены и налажены взаимные контакты с мировыми научными центрами, работающими в области сверхкритических технологий. Создана информационная база производителей сверхкритического оборудования, продукции на основе сверхкритических технологий, а также составлен перечень возможных направлений по применению сверхкритических технологий в различных отраслях промышленности. Создан первый в России информационный сайт по вопросам сверхкритических технологий.

Предлагаемые инвестиции

84 млн. руб.

Рынки сбыта

Разрабатываемое оборудование и технология должны быть доведены до уровня, обеспечивающего возможность организации промышленного производства и соответствовать тенденциям развития мирового рынка производства оборудования по производству биодизельного топлива и мировому качеству выпускаемого биодизеля.
Научно-технический задел, технология, оборудование и отдельные его узлы, а также получаемые по данной технологии продукты должны быть защищены патентами, действующими на территории Российской Федерации и стран предполагаемого экспорта.
В рамках проекта должно быть проведено предварительное исследование рынка разрабатываемой технологии и продукции, на основе которого должны быть определены коммерческие предложения по ориентировочным объемам промышленного производства и продаж продукции. Должны быть определены необходимые объемы привлекаемых средств для коммерциализации полученных результатов, потенциальный состав инвесторов и примерное распределение между ними объемов внебюджетных инвестиций на этапах коммерциализации результатов после завершения работ по проекту. Между исполнителями проекта, по результатам его выполнения, должны быть заключены соглашения об использовании созданной интеллектуальной собственности и коммерциализации полученных результатов.
В России запланировано строительство заводов по производству биодизеля производительностью до 100 тыс. тонн в год в Татарстане, Краснодарском крае, Волгоградской области и других регионах.
По прогнозам экспертов, рынок производителей биодизеля будет активно развиваться в связи с постоянным ростом стоимости нефтепродуктов и ограниченности запасов нефти. В настоящее время рост производства биодизеля в странах США, Канады и Западной Европы происходит практически по арифметической прогрессии. По данным Европейской федерации производителей и переработчиков растительных масел (Fediol), в 2006 г. объем производства биодизельного горючего в ЕС-25 составит 3,1-3,3 млн т, что более чем на 20% превышает показатель 2005 года.
В настоящее время на российском рынке отсутствует оборудование, работающее по сверхкритической технологии получения биодизельного топлива, собственно, как нет и оборудования, работающего и по традиционной технологии кислотного/щелочного каталитического метилирования (основной поставщик подобного оборудования – Германия).
Потенциальный, постепенно нарастающий дефицит и чрезмерный рост цен на топливо на основе невозобновляемой нефти заставляет задуматься о необходимости создания подобного оборудования, работающего на возобновляемом сырье. Следует отметить, в этой связи, что потребность в биодизельном топливе в странах Западной Европы, и стран, недавно вошедших в ЕЭС определяется директивами Евросоюза: уровень биотоплива, который должен содержаться в минеральных топливах на уровне 2% к концу 2005 г., и к 2010 году – 5,75%. Эксперты прогнозируют, что к 2010 году потребление биотоплива увеличится до 11 млн. тонн в год.
Следует отметить, что оборудование нового поколения по производству биотоплива по технологии сверхкритического метилирования, в мире не производится, по причине молодости самого процесса (около пяти лет), хотя во многих станах, таких как Германия, Англия, Япония, США, Австралия, Китай, владеющих сверхкритическими технологиями, весьма усиленно ведутся научные и прикладные исследования в данном направлении.
Среди стран Европы наибольшее внимание биотопливу уделяется в Германии, Франции, Великобритании, Италии и Чехии. По прогнозам, производство биотоплива в Европе может превысить 5 млн. т, что составляет примерно 5 % от общего количества потребляемого дизельного топлива. На данный момент в Чехии насчитывается 14 заводов по переработке семян рапса на биотопливо общей мощностью 200 тыс. тонн в год. В стране действует государственная программа развития производства биотоплива. Согласно директивы 2003/30ЕС от 8 мая 2003 г. на заправках ЕС в продаваемом бензине или дизтопливе содержание биотоплива должно составлять не менее 2 %, а к 2010 г. - не менее 5,75 %).
Один из крупных заводов в Европе запущен в Германии фирмой Natural Energy West Gmb (NEW) вблизи г. Марль. Сырьем является рапс местного производства. Объем производства - 100 тыс. т биодизеля.
В Прибалтике заканчивается строительство двух (небольших по европейским меркам) заводов. Российская компания ЛУКойл инвестирует 4 млн. $. LUKoil Baltija завершает строительство возле литовского городка Мажейкяй завода по производству биодизеля из рапса. Завод закупает 30 тыс. т рапса и производит 10 тыс. т биотоплива в год. Второй завод смонтировали в Латвии чешские и словацкие специалисты на заказ фирмы Delta Riga. Размер инвестиций составляет более 1 млн. $. Ежегодно завод будет перерабатывать 7,5 тыс. т рапса и вырабатывать 2,5 тыс. т биотоплива. По решению правительства эта продукция будет освобождена от акциза. Таким образом, стоимость биодизеля будет такой же, как и дизельного топлива.
В Словакии, возле Братиславы, фирмой Ekoil a.s. в этом году запущен завод по производству биодизеля мощностью 40 тыс. т. в год.
В Республике Беларусь имеется местное сырье для производства дизельного биотоплива. Совместно с УП "Унихимпром БГУ" и СЗАО "Гроднобиопродукт" (г. Скидель, Гродненская обл.) проведены работы с целью организации производства экологически чистых видов топлива. Польско-германским инжиниринговым предприятием "Виедеманн Польска" ("Wiedemann Polska") изготовлено оборудование и на базе ОАО "Новоельнянский межрайагроснаб" (г. Новоельня, Гродненской обл.) впервые в Республике Беларусь смонтирована технологическая линия по выпуску биотоплива из рапсового масла для дизельных двигателей.
В 2003 году вышел Указ Президента Украины "О мероприятиях относительно развития производства топлива из биологического сырья". В нем говорится о необходимости разработать программу производства биологического дизельного топлива для "снижения зависимости национальной экономики от импорта нефтепродуктов, обеспечения развития агропромышленного комплекса и улучшения экологической ситуации". Указ предлагает разрабатывать программу с учетом действующих директив ЕС, касающихся использования биодизельного топлива (Відомості Верховної Ради (ВВР), 2003, N 24, ст.155).
С 2007 года на базе бывшего Каменец-Подольского сахарного завода в Хмельницкой области будут производить биодизельное топливо. Мощность производственного объекта составит 75 тыс. тонн в год. Заводы мощностью 20 тыс. тонн биодизеля в год каждый и ориентировочной стоимостью 30 млн. евро будут построены в Винницком, Тульчинском и Хмельникском районе.
В США в настоящий момент существует 5 крупнейших производителей биодизеля, аккредитованных BQ9000 (национальная программа управления качеством биодизеля), и около 50 более мелких компаний, производящих биотопливо. Среди них: West Central Cooperative; Peter Cremer N. America; AR Operations, Eastman Chemical и др.
Крупные компании и исследовательские центры постоянно совершенствуют существующие и разрабатывают новые технологии производства топлива из биологических продуктов. Эти исследования направлены как на освоение новых видов сырья, так и на усовершенствование технологических приемов и процессов, направленных на энергосбережение и уменьшение себестоимости продукции.
Правительства европейских стран активно применяют законодательные и налоговые рычаги для стимулирования потребления биологического топлива. Сюда относится кА прямое субсидирование и налоговые льготы для производителей, так и введение законодательных актов по обязательному использованию в качестве добавки к традиционному топливу биодизеля в размере не менее 5%. В дальнейшем планируется увеличить долю биодизеля в качестве моторного топлива.
Использование предложенной технологии позволит:
- обеспечить сельхозпроизводителей собственным источником основным видом топлива применяемого при сельскохозяйственных работах со стабильными ценовыми показателями, что позволит стабилизировать цены на с/х продукцию, а при постоянном росте нефтепродуктов и снизить данные показатели, что позволит вывести с/х продукцию на конкурентноспособный уровень;
- обеспечить расширение конкурентной продукции агропромышленного сектора экономики страны за счет введения нового типа продукта, имеющего все возрастающий спрос в странах Европы;
- обеспечить производство продукции для экспорта в страны Европейского сообщества ввиду возникшего дефицита данного вида топлива в этих странах;
- вывести Россию в число стран, лидирующих в передовых технологиях, и получить первенство в производстве промышленного оборудования подобного типа.
Таким образом, можно сделать вывод, что рынок сбыта биотоплива, технологий и оборудования для его производства активно развивается и имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными ресурсами. В связи с этим, создание отечественного оборудования и разработка технологии в рамках проекта будет способствовать созданию высококачественного конкурентоспособного продукта с более низкими экономическими показателями.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование соответствует требованиям к аналогичному оборудованию и получаемой продукции на мировом рынке.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

36

Дата поступления материала

25.05.2007

Инновации и люди

У павильонов Уральской выставки «ИННОВАЦИИ 2010» (г. Екатеринбург, 2010 г.)

Мероприятия на выставке "Инновации и инвестиции - 2008" (Югра, 2008 г.)

Открытие выставки "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)

Демонстрация разработок на выставке "Малый бизнес. Инновации. Инвестиции" (г. Магнитогорск, 2007 г.)