Животные жиры для производства биодизеля
Около трети жиров и масел, производимых в США, составляют животные жиры. Сюда входят говяжий жир, свиное сало и куриный жир. Животные жиры являются привлекательным сырьем для биодизеля, поскольку их стоимость существенно ниже стоимости растительного масла. Отчасти это связано с тем, что рынок животного жира гораздо более ограничен, чем рынок растительного масла, поскольку большая часть животного жира, производимого в США, не считается съедобной для людей.
Животный жир в настоящее время добавляют в корма для домашних животных и корма для животных, а также используют в промышленных целях, таких как производство мыла. Большая часть отечественного животного жира экспортируется.
Сырье из животного жира может быть переработано в высококачественное биодизельное топливо, соответствующее спецификациям ASTM для биодизельного топлива. Тем не менее, есть некоторые недостатки и проблемы с использованием исходного сырья животного жира.
Как перерабатываются животные жиры
Отработанный жир из туш животных удаляют, а затем превращают в масло с помощью процесса рендеринга. Переработка состоит из измельчения побочных продуктов животного происхождения до тонкой консистенции и их варки до отделения жидкого жира и уничтожения патогенов. Твердые вещества обычно пропускают через шнековый пресс для полного удаления жира из твердого остатка. В процессе приготовления также удаляется вода, что делает жир и твердые вещества устойчивыми к прогорканию. Конечными продуктами являются жир и кормовая добавка с высоким содержанием белка, известная как «мясокостная мука».
Содержание жирных кислот в животных жирах
Животные жиры очень насыщены, а это означает, что жир затвердевает при относительно высокой температуре. Поэтому биодизель, изготовленный из животных жиров, имеет высокую температуру помутнения. Например, биодизельное топливо, изготовленное из говяжьего жира и свиного сала, имеет точку помутнения в диапазоне от 55°F до 60°F. B100 (чистое биодизельное топливо), изготовленное из животного жира, следует использовать только в очень теплом климате. Однако биодизельное топливо животного происхождения можно смешивать с нефтедизельным топливом.В более низких смесях, таких как B5 (смесь 5% биодизеля с 95% нефтяного дизельного топлива), высокая температура помутнения биодизеля животного жира не оказывает большого влияния на температуру помутнения смеси.
Состав или профиль жирных кислот различных животных жиров показан в таблице 1. Эти данные показывают, насколько насыщенным будет жир, что, в свою очередь, определяет, насколько легко он будет затвердевать при понижении температуры.
Таблица 1. Процентное содержание жирных кислот в животных жирах
Говяжий жир и свиное сало обычно имеют около 40% насыщения (сумма миристиновой, пальмитиновой и стеариновой кислот). Куриный жир ниже примерно на 30-33%. Для сравнения, соевое масло насыщено примерно на 14%, а масло канолы — всего на 6%. Таким образом, жир и сало обычно твердые при комнатной температуре, а куриный жир, хотя обычно еще жидкий, очень вязкий и почти твердый.
Когда животный жир перерабатывается в биодизель, сохраняется проблема затвердевания при более низких температурах. Метиловые эфиры насыщенных жирных кислот, в основном метилстеарат и метилпальмитат, имеют высокие температуры плавления.
Окислительная стабильность биодизельного топлива животного происхождения
Теоретически насыщенные жирные кислоты в животных жирах должны способствовать лучшей окислительной стабильности биодизельного топлива. Животные жиры содержат очень мало полиненасыщенных жирных кислот, таких как линолевая кислота и линоленовая кислота, которые делают растительные масла, такие как соевое масло и льняное масло, склонными к прогорканию.
Однако на практике животный жир не всегда более стабилен, чем растительное масло, поскольку растительные масла часто содержат природные антиоксиданты. Например, проверка содержания перекиси в сале и растительном масле показала, что сало окисляется быстрее, чем растительное масло (Stuckey, 1972).
Животные жиры содержат очень мало природных антиоксидантов, таких как витамин Е, которые защищают растительные масла.В некоторых случаях отработанные растительные масла могут также содержать искусственные антиоксиданты, которые добавляют в масло для продления срока их службы, и эти искусственные антиоксиданты, в свою очередь, могут продлить срок службы биодизеля, изготовленного из использованного кулинарного масла.
Биодизель животного происхождения с высоким цетановым числом
В результате использования животного жира получается биодизельное топливо с высоким цетановым числом, которое является важным параметром качества дизельного топлива. Насыщенные жирные кислоты являются источником этого высокого цетанового числа, и значения выше 60 являются обычными. Биодизельное топливо на основе соевого масла обычно имеет цетановое число около 48-52, а дизельное топливо на нефтяной основе обычно между 40 и 44. Когда биодизельное топливо животного происхождения смешивается с нефтяным дизельным топливом, это высокое цетановое число может способствовать более быстрому запуску двигателя и тише беги.
Снижение выбросов закиси азота при использовании биодизельного топлива из животных жиров
Одним из важных свойств биодизеля является то, что он снижает уровень вредных загрязняющих веществ в выхлопных газах дизельных двигателей. Единственным исключением являются оксиды азота (NOx), которые участвуют в образовании озона и смога. Биодизель имеет тенденцию выделять несколько больше оксидов азота, чем нефтедизель. Было названо много причин для такого увеличения NOx (Tat et al., 2007), и до сих пор ведутся серьезные споры.
Однако было показано, что биодизельное топливо из животных жиров, как правило, вызывает меньшее увеличение NOx, а в некоторых случаях не увеличивает (McCormick et al., 2001). Основная причина этого, вероятно, заключается в том, что биодизельное топливо из животных жиров имеет более высокое цетановое число (> 60) по сравнению с биодизельным топливом из растительных масел (от 48 до 55). Известно, что более высокое цетановое число снижает выбросы NOx за счет снижения температуры во время критической ранней стадии процесса сгорания.
Загрязнители в сырье для животных жиров
Животные жиры могут быть сложным сырьем для производства биодизеля, поскольку они часто содержат загрязнители, которые необходимо удалить перед использованием топлива в двигателе.
Фосфолипиды или камеди образуют нерастворимые осадки при контакте с водой.Поскольку эти осадки забивают топливные фильтры, их необходимо удалить из топлива. Большая часть этого материала отделяется от глицерина во время обработки или удаляется на этапе очистки (промывка водой или ионный обмен), поэтому эти соединения редко обнаруживаются в топливе. Фактически, поскольку фосфолипиды могут дезактивировать устройства доочистки выхлопных газов на дизельных автомобилях, их обычно удаляют из исходного сырья до того, как оно будет преобразовано в топливо. Чаще всего смолы удаляют путем добавления к исходному сырью воды и лимонной или фосфорной кислоты, а затем отделения осадков с помощью центрифуги.
Полимеры, которые естественным образом образуются при высоких температурах процесса рендеринга, могут способствовать повышению вязкости биодизельного топлива, изготовленного из животного жира. Эта более высокая вязкость иногда может препятствовать тому, чтобы биодизельное топливо из животных жиров соответствовало требованиям ASTM по вязкости. В этом случае биодизельное топливо из животных жиров можно смешивать с биодизельным топливом с более низкой вязкостью.
Иногда проблема с топлеными жирами связана с полиэтиленом в жире, который происходит из пластиковых пакетов, ушных бирок или другого пластика, смешанного с побочными продуктами животного происхождения. Было обнаружено, что мелкодисперсный полиэтилен вызывает помутнение топлива и может забить топливный фильтр. Производителей, привыкших работать с растительным маслом, это может сбить с толку, так как у растительного биодизеля помутнение вызывается в основном водой в топливе. Если биодизельное топливо из животного жира мутнеет даже после удаления воды, это может быть вызвано попаданием полиэтилена, который можно удалить, пропуская биодизельное топливо через фильтр тонкой очистки.
Высокое содержание серы в биодизеле животного происхождения
Сера иногда может быть проблемой для биодизеля на основе животных жиров. Биодизель, продаваемый для использования на дорогах, может содержать не более 15 частей на миллион серы. Было обнаружено, что некоторые образцы говяжьего жира содержат более 100 частей на миллион серы, а куриный жир часто содержит такое же количество.Сера, по-видимому, происходит из серосодержащих аминокислот, связанных с белками, которые переносятся из процесса рендеринга.
Измерения содержания серы в биодизельном топливе, полученном из животных жиров, показали, что уровень содержания серы обычно уменьшается примерно наполовину, когда происходит конверсия. Однако оставшуюся серу бывает трудно удалить. Вакуумная перегонка — практически единственный надежный метод удаления этой серы.
В качестве альтернативы биодизельное топливо с высоким содержанием серы можно продавать для использования вне дорог, например, в качестве топлива для котла или обогревателя.
Библиография
Маккормик, Р.Л., М.С. Грабоски, Т.Л. Аллеман, А.М. Херринг и К.С. Тайсон, «Влияние исходного материала и химической структуры биодизеля на выбросы загрязняющих веществ, соответствующих критериям, из двигателя большой мощности», Environ. науч. Технол. 2001. Т. 35, № 9. С. 1742-1747.
Стаки, Бен Н. (1972) «Антиоксиданты как стабилизаторы пищевых продуктов», в Справочник по пищевым добавкам 2-е издание, изд. Томас Фурия. Кливленд, Огайо: CRC Press.
Тат М.Е., Дж. Ван Герпен и П.С. Ван, «Влияние свойств топлива на время впрыска, время зажигания и выбросы оксидов азота для двигателей, работающих на биодизельном топливе», ASABE Transactions, т. 50, № 4, стр. 1123-1128, 2007 г.
Для дополнительной информации
Выбросы NOx и биодизель — эта двухстраничная «Техническая записка» дает обзор источника выбросов закиси азота от биодизеля.
- Введение в энергию фермы
- Введение в биодизель
- Биодизельное сырье
- Переработка биодизеля
- Использование биодизеля
- Интернет-библиотека ресурсов по биодизелю
- Биодизельные веб-сайты
- Информационные бюллетени и публикации
- Биодизель Powerpoints и видео
- Коммерческие публикации
- Тематические исследования
- Инструменты принятия решений
- Резюме исследований
- Биодизельные классы и обучение
- Часто задаваемые вопросы о биодизеле – часто задаваемые вопросы
Авторы этой статьи
- Джон Ван Герпен, профессор кафедры биологической и сельскохозяйственной инженерии, Национальная образовательная программа по биодизелю, Университет Айдахо
Рецензенты
- Джо Томпсон, научный сотрудник отдела биологической и сельскохозяйственной инженерии, Национальная образовательная программа по биодизелю, Университет Айдахо
- Джесс Асла, директор, биодизельные технологии, AB BioEnergy, LLC
