Помпи за течни биогорива

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 4, 2012

Течните биогорива като биодизел и биоетанол са сред възможностите за намаляване използването на конвенционални течни горива. Те се считат за подходяща алтернатива на горивата, използвани в различни отрасли на промишлеността и за задвижване на транспортни системи. Това определя и тенденцията в световен мащаб производството на тези биогорива непрекъснато да нараства. Често този сектор е определян като един от най-бързо развиващите се в областта на енергийната промишленост.

За производството на биоетанол и биодизел се използват предимно растителни култури. Основни суровини за производство на биоетанол са съдържащите захари селскостопански култури като захарно цвекло и захарна тръстика, отпадни продукти от захарните рафинерии и култури с високо съдържание на скорбяла като царевица, жито, пшеница и др. За производство на биодизел се използват предимно растителните масла, получени от маслодайни култури като рапица, слънчоглед, соя. За подходящо се счита и използването на животински и други мазнини. Използваните процеси на производство съответно се различават. Обикновено за производството на биоетанол се използват ферментационни процеси, докато за производството на биодизел се използва катализирана с основа трансестерификация. В някои случаи в зависимост от изходната суровина могат да се използват и други процеси.

Въпреки че възможностите за избор на суровина за производството на биогорива не са малко, до голяма степен видът на суровината се определя от географските и климатични условия. Например в Европа за производство на биодизел широко използвана суровина е рапицата, докато в Южна Америка за производството на биогорива се използва главно захарна тръстика.

В зависимост от вида на използваните процеси за производство на течни биогорива, инсталациите включват и различни съоръжения. Основен елемент във всяка една инсталация за производство на биогориво, независимо от производствения процес, са помпите. Съответно, на отделните етапи от производството се препоръчва използването на различни по конструкция помпи в зависимост от характеристиките на изпомпваната течност. При избора е добре да се вземат предвид вискозитетът на течността, съдържанието на твърди вещества, работната температура и т. н.

Производство на биоетанол

Процесът на производство на биоетанол се определя в зависимост от състава на биомасата. Най-често използваната технология за производство е ферментацията, подходяща при преработка на култури, богати на растителни захари и скорбяла. При ферментацията биомасата се разлага с помощта на микроорганизми (бактерии или ензими). Под тяхното въздействие съдържащите се в биомасата захари се превръщат в алкохол. Полученият етанол се дестилира и обезводнява с цел получаване на по-висока концентрация на алкохол и за достигане на необходимата чистота за получаване на биоетанол, подходящ за използване като автомобилно гориво. Процесът преминава през няколко етапа. Първоначално суровината се измива и раздробява на по-дребни частици, обикновено с размер 20-25 см. Така подготвена се подава към мелница, която често обединява два процеса - смилане и извличане на сока. На следващия етап сокът се филтрира. Получените отпадни продукти могат да се използват като гориво, например за отоплителни котли. След филтрирането сиропът се подлага на изпарение и кристализация, вследствие от което се получават ясни кристали и меласа. Меласата се отделя от кристалите посредством центрофугиране. Следващите етапи са пастьоризация и ферментация преди дестилацията за получаване на по-висока концентрация на алкохол. Ферментацията обикновено продължава между 4-12 часа.

За културите, съдържащи скорбяла, процедурата е подобна, но с допълнителен процес на хидролиза за разрушаване на полимерите до мономери, които могат да бъдат разрушени до прости захари.

Производство на биодизел

За производството на биодизел от масла и мазнини се използват основно три процеса - катализирана с основа трансестерификация на маслото, директно киселинно катализирана трансестерификация на маслото, превръщане на маслото в неговите мастни киселини и след това в биодизел. Преобладаващата част от произвеждания днес биодизел е посредством катализирана с основа трансестерификация. Причините за предпочитането на този процес са предимно неговата икономичност, протичането му при ниски температури и налягане и осигуряването на процент на преобразуване до 98%.

Трансестерификацията представлява процес на химично взаимодействие на триглицериди (масла/мазнини) с алкохол в присъствие на катализатор, при което се образуват моноалкилни естери или биодизел и суров глицерин. В зависимост от използвания алкохол, биодизелите могат да се разделят на метилов и етилов биодизел.

Процесът на алкална катализа най-общо протича през няколко етапа. Първоначално алкохолът се смесва с катализатора, след което тази смес се поставя в затворен съд и към нея се добавя маслото или мазнината. Сместа се поддържа с температура около 70 °С, за да се ускори процесът и да се осъществи реакцията. След протичането й се обособяват два основни продукта - глицерин и биодизел, които се разделят и посредством изпарение или дестилация от всяка една се отделя излишният алкохол. След отделянето на глицерина, биодизелът може да се подложи на пречистване. В някои процеси тази стъпка не е необходима. Обикновено в края на производствения процес се получава чиста кехлибарено-жълта течност с вискозитет, подобен на петролния дизел.

Използвани конструкции помпи в процеса на производство

Сред най-често използваните конструкции помпи в производството на биогорива са обемно-ротационните помпи, от които приложение намират зъбните (с вътрешно и външно зацепване) и винтовите помпи. На определени етапи от производствения процес за подходящо се счита и използването на центробежни помпи.

Принципно, зъбните помпи се считат за особено подходящи при транспортиране на течности с голям вискозитет. Могат да работят с голяма честота на въртене поради липсата на части с праволинейно-възвратно движение. Тялото на помпата обикновено се изработва от лята стомана или чугун.

Конструкцията им обикновено включва две зъбни колела, от които едното се явява водещо, а другото - водимо. Водещото зъбно колело е монтирано на вал, задвижван от електродвигател, вследствие на което се задвижва водимото зъбно колело. При това въртене всеки зъб “загребва” порция течност от едната страна (засмукване) и я отправя към изхода (нагнетяване). В зависимост от вида на зацепването, зъбните помпи биват с външно и вътрешно зацепване на зъбните колела. По-широко разпространение в практиката намират зъбните помпи с външно зацепване, които се характеризират с работа без утечки и могат да работят с гъсти течности. Зъбните помпи с вътрешно зацепване, от своя страна, осигуряват постоянен поток.

Сред основните предимства на зъбните помпи са простата им конструкция и сигурността при работа.

Основните им недостатъци са свързани с необходимостта от добра филтрация на работната течност срещу твърди примеси, съществуващите неуравновесени сили от налягане, нарастващите хлабини в процеса на експлоатация, което увеличава обемните загуби. Допустимата температура на работната течност обикновено е в границите от около -15 докъм +80 °С, а вискозитетът между 10 и 300 mm2/s. В процеса на производство на биогорива зъбните помпи могат да се използват и за дозиране на химични вещества, необходими за протичането на някои от процесите на отделните етапи от производството.

Сред широко използваните са и винтовите помпи. Конструктивно те представляват ротационни, обемни помпи. Подходящи са за транспортиране на високо- или нисковискозни флуиди, а също така за транспортиране на флуиди със съдържание на твърди частици и свободен газ. Работата на винтовите помпи се основава на въртенето на работния винт (ротор) във винтовия статор. Роторът се явява единствената движеща се част на помпата. За изработването му често използвани материали са неръждаема или закалена стомана, а за статора - еластичен материал или гумено покритие. Формата и размерите на работния винт и на статора са такива, че при поставянето на работния винт в статора да се образуват последователни канали, които са херметично отделени с помощта на уплътнителни линии, образуващи се по линията на контакт между ротора и статора. При постъпването на течността през входа на помпата, вследствие от въртеливото движение на работния винт, тя преминава през каналите и се нагнетява през изхода. По време на работа площта на каналите между ротора и статора остават постоянни при всяко сечение по цялата дължина на помпата, което осигурява равномерен поток без пулсации.

Винтовите помпи работят плавно и безшумно, течността се нагнетява без пулсации. Достигат КПД от порядъка на 60-80%. Недостатъците им са свързани със сложната технология за изработване на профила на винта и бързото износване на гумената гайка, което ги прави неподходящи за транспортиране на суспензия с абразивни примеси. Корпусът се изработва от лята стомана или чугун.

На определени етапи от производствения процес за подходящо се счита и използването на центробежни помпи. Принципът на работа на тези помпи е елементарен. Течността принудително се въвежда във входа на импелера и с помощта на центробежните сили протича към периферията на работното колело. При въртенето на работното колело между лопатките му и протичащата течност се осъществява силово взаимодействие, в резултат на което се осъществява преобразуване на механичната енергия в хидравлична енергия на течността. При този процес в резултат на придадената и от работното колело енергия, течността протича последователно през смукателния канал, работното колело и спиралата към изхода на помпата. Този процес води до понижаване на налягането на входа (вакуум) и повишаване на налягането на изхода на помпата. Високата скорост на протичане на течността през машината позволява задвижването да се осъществява с директно монтиран асинхронен електродвигател. Характерни за центробежните помпи са стабилен дебит и възможност за дроселиране, без да се нарушава нормалното им функциониране.

За подходящо се счита и използването на многостъпални центробежни помпи. Те представляват последователно съединени работни колела, които обикновено са идентични. Изходящата течност от предшестващото колело се отвежда към входа на следващото колело.

За да се осигурят добри характеристики на помпата, е необходимо много плътно съединяване на стъпалата, с което да се предотврати наличието на утечки и загуба на ефективност на помпата. Добре е да се има предвид, че разлика от 0,1 мм при сглобяване на междинните стъпала намалява КПД на помпата с от 3 до 5%. Многостъпалните помпи осигуряват постигането на сравнително големия напор, което предопределя широкото им приложение. В процесите на производство на биогорива се използват като процесни и преносни помпи.

На определени етапи от протичането на процесите на ферментация и трансестерификация за подходящо се счита използването на вакуум помпи. Вакуумните помпи с течен пръстен се използват при дестилацията и ректификацията. Вакуумът намалява консумацията на енергия при протичането на процесите, което допринася за намаляване на производствените разходи.

Вакуум помпите се считат за подходящи и на етапа на разделяне на биодизела и глецирина. Също така могат да се използват и при напълване и изпразване на резервоарите в процеса на възстановяване на метанола и пречистването на глицерина. При измиването и дехидратирането на биодизела някои от процесите протичат в условия на вакуум, които са подпомогнати от вакуум помпите с течен пръстен.

В процеса на производство и за транспортиране на течни биогорива е възможно използването и на вихрови помпи.

Принципът на работа на вихровите помпи се основава на преобразуване на механичната енергия на работното колело в хидравлична енергия на протичащата течност чрез интензивно вихрообразуване в специално оформени канали в корпуса на помпата и в лопатъчните канали по периферията на работното колело. В зависимост от вида на работното колело вихровите помпи обикновено се подразделят на помпи затворен и отворен тип. Видът на работното колело, освен че определя кавитационните свойства и самозасмукващата способност на вихровите поми, оказва влияние и върху способността им за работа със смеси от газ и течност.

Като конструкция вихровите помпи са многостъпални (от 1 до 8 стъпала), хоризонтални или вертикални. Материалите са различни в зависимост от флуида и областта на приложение, уплътнението на вала е в зависимост от конкретните изисквания - набивка, единично или двойно челно уплътнение, херметично изпълнение. При придвижването на течности с високи и ниски температури, се използват помпи с корпуси, имащи топлинни камери и канали, в които е предвидена циркулация на подгряваща или охлаждаща течност.

Обикновено на входа на помпата се поставя филтър с цел предотвратяване на попадането на замърсяващи или метални частици от тръбите вътре в помпата, което може да доведе до преждевременна повреда на агрегата, а при по-големи скорости на въртене дори до частично разрушаване на корпуса или елементи на работното колело.

Сред предимствата на вихровите помпи са ниски дебити, високи налягания, нисък кавитационен коефициент NPSHr - за инсталации с тежки смукателни условия, транспорт на газова фаза - смеси флуид-газ и други. Намират приложение и при изпомпването на летливи течности като бензин, алкохол, етер и други, където изпарението на леките фракции на тези течности води до ситуация, при която помпата засмуква смес от течност и пара, което е проблем при центробежните помпи, например.


Top