06 | 12 | 2016
Экономика
Литература

Методичні вказівки по ресурсо-енергозбереженні при виробництві біопалив

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 4.50 (1 Голос)

Методичні вказівки по ресурсо-енергозбереженні при виробництві біопалива (технічного спирту, високооктанової кисневмісної добавки до бензинів-ВКД на спиртових та виноробних підприємствах)

Після здобуття незалежності Україна відчуває постійний дефіцит органічної сировини та енергоносіїв, до яких належать паливний та технічний біоетанол.

Досвід останніх десятиліть показує, що основну частину етилового спирту у світі використовують на технічні потреби. Так, в США на технічні потреби, зокрема на виробництво паливного біоетанолу, витрачають близько 95 % всієї кількості спирту, що виробляють (806 млн. дал в 2002 році). Бразилія в останні роки виробляє 1,25-1,5 млрд. дал етилового спирту, більша частина якого використовується для технічних потреб та в сумішевих бензинах. Країни ЄС також здійснили ряд заходів для збільшення використання біопалив. Так, згідно з Директивою 2003/30/ЄС Європейського парламенту і Ради ЄС, кількість біопалива, яке буде використано в 2007 році транспортом країн ЄС, повинна бути не менше 2-х відсотків до загальної кількості використаного палива в 2005 році та не менше, ніж 5,75 відсотків, - в 2010 році.

Сировиною для виробництва паливного та технічного біоетанолу є відновлювана рослинна сировина, продукти її переробки та відходи харчової промисловості і сільського господарства.

Виробничі потужності вітчизняної спиртової галузі дають змогу одержувати до 64 млн. дал спирту на рік. На забезпечення потреб власного ринку та експортних поставок України необхідно від 25 до 26 млн. дал харчового спирту. Решта потужностей лишається незадіяною, що зменшує валовий національний продукт та створює соціальне напруження в регіонах, де розташовані спиртові заводи. Вільні потужності спиртових заводів можуть бути переорієнтовані на виробництво технічного спирту – як органічної сировини, так і паливного біоетанолу. Тому організація виробництва паливного біоетанолу та технічного спирту є важливою народногосподарською проблемою.

Крім того, Україна як високо розвинута індустріальна держава потребує великої кількості технічного спирту, який використовують в хімічній, біохімічній, целюлозно-паперовій, текстильній, легкій, металургійній, машино - та приладобудівній, автотранспортній, оборонній та місцевій промисловостях.

Водночас, будучи одним з найбільших виробників етилового спирту в країнах СНД, Україна не виробляла власного технічного спирту, імпортувала його з Росії або використовувала більш дорогий харчовий спирт.

Сировиною для технічного спирту може бути також більш дешеве дефектне зерно, тритикале, меляса, виноградні вичавки, дріжджі, технічні культури – топінамбур, сорго, тапіока тощо, а також побічні спиртовмісні продукти брагоректифікації. Значно знижує собівартість технічного спирту й те, що в багатьох випадках до нього не пред’являють жорстких вимог щодо вмісту органічних домішок супутніх етиловому спирту.

Налагодження виробництва технічного спирту з деревини або природного газу (гідролізного або синтетичного) в умовах України економічно недоцільно, оскільки ці виробництва досить енергоємні, потребують великих капіталовкладень, сировини, кількість якої в Україні обмежена, ї є екологічно небезпечними.

Для забезпечення конкурентоспроможності паливного і технічного біоетанолу як на внутрішньому так і на зовнішньому ринках розроблені сучасні прогресивні енерго - та ресурсозбережні екологічно безпечні технології біопалива.

Основні енергетичні та експлуатаційні витрати в технології біоетанолу відбуваються на стадіях водно-теплового оброблення сировини, гідролізі вуглеводів до зброджуваних цукрів та ректифікації спиртової бражки.

Сучасні наукові надбання дають змогу докорінно змінити класичні процеси використання крохмалю і не крохмальних полісахаридів зерна при виробництві спирту. В реалізації таких процесів важлива роль належить ферментативній конверсії полісахаридів в зброджуванні цукри, що значно зменшує енергоспоживання при виробництві технічного і паливного етанолу.

За результатами комплексу багаторічних теоретичних і експериментальних досліджень співробітниками УкрНДІспирту і біопроду та НУХТ розроблено та впроваджено у виробництво прогресивну енерго - та ресурсозбережну технологію низькотемпературного водно-теплового оброблення крохмалевмісної сировини з використанням концентрованих ферментних препаратів селективної дії, що дало змогу знизити температуру розварювання з 150-170оС до 65-95оС, тим самим зменшити на 50-60% енергоємність цієї стадії виробництва спирту. Тільки на стадії розварювання економічний ефект складає 650 – 700 грн./ 1000 дал спирту.

Показано, що в межах температур 60-95оС швидкість гідролізу крохмалю амілазами має свій оптимум і залежить від особливостей крохмалю культур зерна. При вибраній тривалості гідроферментативного оброблення та активності ферментів кількість гідролізованого крохмалю для пшениці і кукурудзи, відповідно складає – 96 та 84%. Досліджено процеси дестабілізації амілаз за температури від 60 до 95оС і тривалості попередньої інкубації ферментних систем від 1 до 24-х годин. Встановлено градацію стабільності амілаз в залежності від продуцента. Зміни швидкості реакції гідролізу позаклітинними амілазами відповідно до значень рН визначено в межах від 6,7 до 4,0. При вивченні впливу рН на процеси дестабілізації амілаз встановлено, що активність ферментних систем в межах температур від 30 до 50оС практично не змінюється при рН від 4,7 до 5,9.

В результаті комплексу проведених досліджень встановлено, що ріст дріжджів та швидкість зброджування сусла, одержаного при гідроферментативному обробленні сировини, лімітовано амінокислотами, вміст яких складає 34-45 мг/100 см3, що у 2,2 рази менше в порівнянні з суслом, яке оцукрене ферментами солоду. При цьому доведено, що найбільш економний метаболізм вуглеводів при періодичному зброджуванні сусла забезпечується дріжджами, ріст яких знаходиться в кінці стаціонарної фази.

На підставі проведених досліджень та одержаних експериментальних даних розроблено новий біотехнологічний процес прямої трансформації крохмалю в зброджувані цукри без витрат теплової енергії, що дало змогу покращити економіку виробництва спирту. Розроблену технологію впроваджено у виробництво на спиртових заводах України (Червонослобідський, Марилівський, Немирівський, Сторонібабський та інші).

Досліджено вплив магнітно-імпульсних полів на клітини мікроорганізмів і розроблено магнітно-імпульсну технологію, як альтернативу енерговитрат ній термічній пастеризації при інактивації контамінуючої мікрофлори в процесі спиртового бродіння, що дало змогу значно зменшити вміст в барді таких надзвичайно шкідливих сполук, як токсини і мікотоксини.

Вирішення проблеми інтенсивного енергозбереження в спиртовій промисловості до недавнього часу стримувалось відсутністю відповідної технології та обладнання для перегонки і ректифікації спиртової бражки. В зв’язку з тим, однією із задач, яку вирішено вченими, є розробка та широке впровадження у виробництво енергозберігаючої технології брагоректифікації, яка передбачає рекуперацію вторинної теплоти матеріальних потоків.

Розробленню енергозбережних технологій брагоректифікації передували глибокі теоретичні і експериментальні дослідження з вивчення теплових балансів брагоректифікаційних установок з урахуванням явища парціальної конденсації пари бражного дистиляту, впливу кількості теоретичних тарілок, тиску, складу дистиляту і живлення, гідравлічного опору на флегмове число ректифікаційної колони. Для оцінки впливу цих факторів на флегмове число і витрату пари в ректифікаційній колоні розроблено математичну модель фазової рівноваги рідина – пара бінарної системи етанол – вода за тиску від 25 до 30 кПа, яка враховує явище інверсії кривої фазової рівноваги й дійсна для концентрації етанолу від 0 до 100% включно з відносною похибкою до 1%. Розроблено також математичні моделі для розрахунків ізобарної теплоємності, температури кипіння, ентальпії рідини і пари водно-спиртових розчинів. Експериментально досліджено вплив робочого тиску ректифікаційної колони на ефективність масообмінних тарілок і визначено його оптимальне значення, а також експериментально досліджено склад бражних дистилятів з різних стадій конденсації у виробничих умовах.

Також досліджено вплив зменшення концентрації ректифікаційного спирту на флегмове число, витрату граючої пари, продуктивність ректифікаційної колони та її термодинамічну ефективність за умови врахування гідравлічного опору контактних пристроїв.

Це дало можливість обґрунтувати вибір енерготехнологічних зв’язків і параметрів та розробити прогресивні енергозбережні технології та брагоректифікаційні установки з елементами під вакуумом і рекуперації тепла.

Науково обґрунтовані та розроблені вимоги до компонентного складу високооктанової кисневмісної добавки до бензинів, в тому числі і по вмісту води, який не повинен бути більшим за 0,2% об., що визначило основні технологічні прийоми виробництва.

Експериментальні та теоретичні дані лягли в основу розрахунку матеріальних та теплових потоків обезводнюючої колони, конструктивних параметрів пристроїв для розшарування азеотропної суміші.

Одержані дані дали змогу створити ресурсозбережну технологію сумісного виробництва харчового спирту та технічного спирту етилового ректифікованого, що дає змогу, з одногу боку, суттєво покращити якість харчового спирту, а з іншого – зменшити собівартість товарних продуктів.

Виконано комплексні теоретичні та експериментальні дослідження обезводнення водно-спиртових розчинів на молекулярних ситах (цеолітів) та науково обґрунтовано використання синтетичних цеолітів з розміром вхідних отворів 0,27-0,47 нм. Вибрано технологічні режими адсорбції води при обезводненні водно-спиртових розчинів та десорбції вологи при регенерації цеолітів, що дало підставу розробити і реалізувати дослідно-промислові установки для обезводнення спирту періодичним та циклічно-безперервним методом на Стадницькому спиртовому заводі та Лохвицькому спиртовому комбінаті.

Впровадження установок з використанням сучасних молекулярних фільтрів (сит) дало змогу виключити використання розділюючого агенту – циклогексану і втричі скоротити витрати гріючої пари на процес зневоднення ВКД.

З метою збільшення сировинної бази для виробництва ВКД на основі теоретичних та експериментальних досліджень, узагальнення виробничого досвіду розроблено технологічний регламент і технічні умови одержання на спиртових та виноробних заводах, які не мають установок для виробництва ВКД, високооктанової кисневмісної добавки – сирцю (ВКДС), яку використовують для виробництва ВКД (біопалива) шляхом азеотропної ректифікації або адсорбції на молекулярних ситах.

Результати випробувань підконтрольної групи автомобілів на сумішевому бензині (суміш товарного бензину з ВКД) показала, що енергетичні і економічні показники роботи двигунів на сумішевих бензинах порівняно з роботою на товарних бензинах А-76 та А-92 не погіршуються при загальному поліпшенні екологічних показників. Особливо відчутно поліпшується склад відпрацьованих газів автомобілів при роботі двигунів на холостому ходу та при низьких навантаженнях, що дуже часто спостерігається у великих містах. Так, при звичайних навантаженнях двигуна зменшення вмісту оксидів азоту NOx становить від 4,5 до 16% ароматичних вуглеводнів CmHn – від 9 до 15% (залежно від типу бензину та двигуна); на низьких навантаженнях та холостому ходу зменшення становить від 13,2 до 51% та від 19 до 25% відповідно.

Таким чином, розроблення та впровадження у виробництво енерго - та ресурсозбережні технології паливного та технічного біоетанолу з відновлювальної сільськогосподарської сировини, дає змогу гнучко використовувати потужності спиртових та виноробних заводів України в залежності від кон’юктури як внутрішнього, так і зовнішнього ринків, а також зберігає існуючі та створює нові робочі місця. Виробничникам інших галузей такі розробки дають змогу уникнути залежності від імпорту технічного спирту з-за кордону і надає можливість випуску вітчизняних конкурентноспроможних товарів високої якості. І головне використання паливного біоетанолу як добавки до бензинів допомагає вирішити питання забезпечення моторним паливом автотранспорт, а також дає змогу поліпшити екологічний стан у великих містах та на автошляхах країни.

Крім того, враховуючи те, що технічний спирт є одним з джерел експорту, виконана робота значною мірою сприяє оздоровленню економіки України.

Розрахунки економічної ефективності щодо виробництва та використання технічного спирту-біопалива до бензинів (ВКД) в спиртовій та виноробній промисловості

Перепрофілювання спиртового виробництва на випуск ВКД не потребує значних фінансових витрат. Впровадження технології ВКД доцільне як з точки зору економічної ефективності (вартість технічного спирту-біопалива-ВКД набагато нижча, ніж вартість бензину), так і за соціальними результатами (відпрацьовані гази автомобілів, які працюють на сумішах бензину та ВКД набагато чистіші з екологічної точки зору).

При переробці 100 тис. т ВКД в сумішеві бензини необхідна кількість нафти при сталій кількості бензину, що виробляється, зменшаться на 448 тис. т, тобто:

(100000 т : 22,32%)·100 = 448000 т нафти,

де 22,32% – вихід бензину з 1 т нафти.

З цієї кількості нафти можна отримати дизельного пального:

448000·0,2866 = 128000 т дизельного пального,

де 0,2866 – доля виходу дизельного пального з 1 т нафти.

При реалізації такої кількості дизельного пального можна одержати:

(128000·3095) : 5,05 = 78,4 млн. дал.,

де 3095 грн. – ціна 1 т дизельного пального;

5,05 грн. – середній курс гривні до долару США.

З урахування рентабельності, рівень якої становить 15%, неотриманий прибуток складе:

78,4 х 0,15 ≈ 12,0 млн. дол. США

З другої сторони, використання ВКД в сумішевих бензинах дозволить одержати додатковий прибуток за рахунок різниці в цінах на ВКД і звичайні бензини 12,8 млн. дол. США.

Тобто, відпускна ціна 1 т ВКД на спиртових заводах складає 3500 грн. при рентабельності 11,35%. З урахуванням транспортних витрат, витрат за змішування і збереження сумішей на нафтопереробних заводах (НПЗ) ціна на ВКД складе 3700 грн.

100000 т = 12,8 млн. дол.,

де 4348 грн. – ціна 1 т бензину марки А-92

3700 грн. – ціна 1 т ВКД.

Ціна 1 т суміші ВКД (6%) з бензином (94%) не перевищить 4309 грн., тоді

0,94·4348 + 0,06·3700 = 4309 грн.

Таким чином, використання сумішевого бензину з 6% ВКД в бензинах марки А-92 дасть змогу покращити якість бензину до марки А-95 і одержати додатковий прибуток на суму 64 млн. дол. за рахунок різниці в цінах:

=64 млн. дол.

де 1666,7 тис. т – обсяг сумішевого бензину з 6% ВКД при обсязі використання 100 тис. т ВКД;

4503 грн. і 4309 грн. – ціна за 1 т бензину марки А-95 і сумішевого бензину відповідно.

Таким чином, споживач ВКД неотриманий прибуток в розмірі 17,6 млн. дол. може компенсувати додатковим прибутком в розмірі:

12,8 + 64,0 = 76,8 млн. дол.,

тобто, сума прибутку складе:

76,8 – 17,6 = 59,2 млн. дол. США.

Спиртовій галузі виробництво і реалізація 100 тис. т ВКД забезпечить прибуток 22,2 млн. грн.

Надходження від бюджету тільки від виробництва ВКД складуть 55,0 млн. грн. (податків і зборів). Крім того, буде забезпечено збереження близько 3000 робочих місць і значно поліпшиться стан довкілля за рахунок зменшення токсичних сполук у відпрацьованих газах автомашин та інших видів транспорту.

Потрібно ще врахувати такий прибутковий фактор. При виробництві ВКД до бензинів можливо при очищенні барди (як стічних вод) в метантенках одержувати біогаз, який буде використано як паливо, а активний мул – як високоефективні добрива в агропромисловому комплексі (розрахунки на 100 тис. т ВКД проведені к. е.н. Шматковою Г. К.).

При виробництві ВКД із відходів виноробства на установці з молекулярними ситами потужністю 1000 дал. на добу (≈ 8 т/добу) вин завод одержить прибуток від виробництва та реалізації ВКД (8 х 300 = 2400 т/рік) в обсязі біля 2 млн. грн. З урахуванням того, що відходи виноробства майже в 100 раз дешевші, ніж меляса, тоді прибуток вин заводу складе біля 200 млн. грн.

Якщо на винзаводі буде недостатня кількість відходів для бродильного і брагоректифікаційного відділень, тоді можлива компенсація за рахунок відходів інших винзаводів.

Витрати на придбання та монтаж апаратів бродильного та брагоректифікаційного відділень для виробництва ВКД складатимуть ………. млн. грн.

Автори: проф. Шиян П. Л.

проф. Домарецький В. А.

Рецензент доц. Куц А. М.


Методичні вказівки по ресурсо-енергозбереженні при виробництві біопалив - 4.0 out of 5 based on 1 vote