بخشی از مقاله
چکیده
کاهش سوختهاي فسیلی و افزایش آلودگیهاي زیست محیطی باعث شده که توجه به انرژيهاي تجدیدپذیر افزایش یابد. در بین این منابع بیودیزل یکی از سوختهایی است که به عنوان جایگزین گازوئیل مطرح میشود. یکی از روشهاي تولید بیودیزل استفاده از روغن پسماند و متانول به عنوان خوراك به همراه کاتالیست اسیدي میباشد که کمتر به آن توجه شده است.
در این مقاله ضمن بررسی روشهاي تولید بیودیزل، این روش براي واحدي با ظرفیت 8000 - Ton/Year - با نرمافزار هایسیس - HYSYS - شبیهسازي شده است. نتایج تحلیل اقتصادي نشان داد که هزینه سرمایهگذاري اولیه 3/894 - M$ - و هزینه سالیانه واحد 7/403 - M$/Year - بوده که %11 آن مربوط به منابع تأمین انرژي میباشد. در نهایت محاسبات نشان داد که با فرض آن که عمر واحد 20 سال و نرخ بهره %5 باشد، بازگشت سرمایه 6/5 ساله خواهد بود.
.1 مقدمه
توسعه روزافزون فناوريهاي سنتی و نوین و نیاز کشورها به تأمین انرژي این صنایع منجر به افزایش شیب بهرهبرداري از سوختهاي فسیلی و درپی آن افزایش آلودگیهاي زیست محیطی در سراسر جهان شده است. بر این اساس توجه جوامع جهانی بیش از پیش به منابع جایگزین به ویژه انرژيهاي تجدیدپذیر از جمله سوختهاي زیستی جلب شده است. یکی از معروفترین و در حال توسعهترین این سوختها، بیودیزل نام دارد. بیودیزل به دلیل شباهت ساختارياش به گازوئیل، می تواند در موتورهاي دیزل با اصلاحات بسیار اندك مورد استفاده قرار گیرد.
همچنین به واسطه ویژگی روانکاري خوب بیودیزل، افزودن حدوداً %2 از آن خاصیت روانکاري دیزل را بهبود میبخشید. مطالعات نشان میدهد که استفاده از بیودیزل و یا ترکیبات آن با دیزل - گازوِئیل - منجر به کاهش محسوس آلایندههاي خروجی موتور میشود و دلیل آن وجود اکسیژن - در حدود %11 وزنی - در ساختار این سوخت است که احتراق را کاملتر میکند.
دیگر مزیت، ریشه گیاهی آن است که مانند نفت تمام شدنی نبوده و شرایط توسعه پایدار را دارد. به منظور بهرهبرداري از هر محصول فرآیندي، توجه به واحد تولید آن از جنبههاي مختلف شامل بحث فنی، اقتصادي و زیست محیطی اهمیت دارد که به همین منظور تلاش کردیم با شرح یکی از روشهاي تولید بیودیزل از جوانب اشاره شده، به بررسی یکی از فناوريهاي نوین در حوزه تولید منابع انرژي بپردازیم.
.2 روشهاي تولید بیودیزل
رادولف دیزل اولین فردي بود که در حدود سالهاي آخر قرن 19 میلادي،مستقیماً از روغن حبوبات در موتور دیزلی استفاده کرد و نتایجی نزدیک به شرایط احتراق گازوئیل بدست آورد که زمینه بررسی بیشتر روي روغنهاي گیاهی را به عنوان سوختی پاك فراهم کرد. مهمترین روش استفاده از روغنهاي گیاهی که محصول آن همین بیودیزل امروزي است، روش ترانساستریفیکاسیون نام دارد که رایجترین و صنعتیترین روش براي تولید این سوخت زیستی محسوب میشود.
در این روش اسیدهاي چرب تريگلیسریدها - روغن - با الکلهاي کوتاه زنجیر در حضور کاتالیست مناسب واکنش میدهند و نوعی استر - بیودیزل - به عنوان محصول اصلی و گلیسیرین اغلب به عنوان یک فراورده جانبی تولید میگردد. الکلهاي ممکن براي انجام این واکنش متانول، اتانول، پروپانول و بوتانول هستند که متانول و اتانول، پرکاربردترین بوده و از بین این دو، متانول به دلیل ارزانی و خواص فیزیکی و شیمیایی بهتر، مناسبترین الکل براي این واکنش محسوب میشود.
به منظور تولید بیودیزل میتوان از انواع مختلف روغنها و چربیهاي خالص و حتی روغنهاي پسماند خوراکی استفاده کرد. ماده اصلی تشکیل دهندهي روغنها و چربیها، انواع اسیدهاي چرب و گلیسرول هستند، در حالی که در آنها درصد کمی اسیدهاي چرب آزاد1، فسفولیپیدها، استرولها، آب و ترکیبات معطر و ناخالص نیز دیده میشود. از دیدگاه ساختار مولکولی، اسیدهاي چرب انواع مختلفی دارند که تفاوت آنها در تعداد کربن و تعداد پیوندهاي دوگانه آنهاست و روغنها داراي مجموعهاي از اسیدهاي چرب با درصدهاي وزنی مختلف هستند. به این ترتیب در اثر ترکیب و واکنش هر یک از این اسیدها با الکل یک نوع استر تولید میشود.[1]
یکی از پارامترهاي مهم در انتخاب نوع روغن به عنوان خوراك، در نظر گرفتن ویژگیهاي ترمودینامیکی بیودیزل مثل خاصیت ژلشدگی و اکسید شدن آن است. بیودیزل مثل دیزل میتواند در شرایط سرد دمایی به شکل ژل تبدیل بشود که البته این ویژگی برگشتپذیر است و با گرم کردن بیودیزل میتوان دوباره آن را به شکل سوخت مایع در آورد.
خاصیت ژل شدگی تابعی است از میزان چربیهاي اشباعی که در خوراك استفاده شده وجود دارند و هرچه این میزان بیشتر باشد دمایی که بیودیزل تبدیل به ژل میشود بالاتر رفته و این شرایط استفاده از این سوخت را محدودتر می کند .بنابراین علاوه بر چربیهاي حیوانی که داراي میزان چربیهاي اشباع زیادي هستند، روغنهاي گیاهی با این شرایط نیز، انتخاب مناسبی نیستند.
افزون بر بحثهاي فنی براي انتخاب روغن، یکی از موارد مهم امکان دسترسی به آن روغن و شرایط توسعه و کشت گیاه مورد نظر در هر منطقه است که بر قیمت تمام شده آن تأثیرگذار بوده و بر این اساس کشورهاي قارههاي مختلف با در نظر گرفتن شرایط آبوهوایی خود، روغن مطلوب را انتخاب میکنند. به صورت یک قاعده کلی هرچه کیفیت این روغن بیشتر باشد، قیمت آن هم بیشتر است.
به طور مثال روغن استخراج شده سویا و کانولا با %99 تريگلیسیرید داراي قیمت زیادي نسبت به روغنهاي کمکیفیت چون روغنهاي پسماند و چربیهاي حیوانی است. شاید بتوان مفهوم کیفیت در مورد روغنها را به این نسبت داد که هرچه میزان تريگلیسرید، درصد بالاتري از ماده را تشکیل دهد و ترکیبات ناخالص به خصوص FFA کمتر باشند، آن خوراك با کیفیتتر است. البته روغنهاي کمکیفیت با وجود آن که ارزانتر هستند نیاز به تصفیه دارند که هزینههاي بالاي آن موجب جبران قیمت پایین آنها میشود.
یکی از بزرگترین زبالههاي شهروندان نه در ایران بلکه در تمام جهان که در سطح خانگی و صنعتی به شکل گستردهاي وجود دارد، زبالههاي موادغذایی است. یکی از انواع این زبالهها روغن است که پس از مصرف بلااستفاده مانده و دور ریخته میشود و این مواد به عنوان منبع آلودگی وارد فاضلابها و رودخانهها و آبهاي زیرزمینی شده و باعث تخریب محیط زیست میگردند.
متأسفانه تاکنون بهدلیل نپرداختن به این موضوع مهم و عدم اطلاع مردم از این تهدیدات، جلوگیري از ادامه این روند بهعنوان دغدغهاي عمومی و حتی مطالبهاي جدي براي دستگاههاي نظارتی مطرح نشده و به همین دلیل درحال حاضر آشنایی، مهارت و تجهیزات مورد نیاز جهت جلوگیري از ورود روغنهاي پسماند به شبکه جمعآوري فاضلاب در کشور وجود ندارد پس میتوان این نوع روغن را ضمن بازیافت به تولید بیودیزل هم رساند ولی دو اشکال براي آن وجود دارد که یکی اشکال فنی بوده که توضیح داده میشود و دیگري کیفیت پایینتر بیودیزل به دست آمده از آنهاست.
واکنش تولید بیودیزل نیازمند کاتالیستهاي اسیدي یا بازي است.تقریباً اکثر واحدهاي تجاري شده کاتالیست قلیایی - بازي - را به نوع اسیدي آن ترجیح میدهند چراکه سرعت واکنش با آنها نسبت به نوع بازي آن بسیار کمتر بوده و این در شرایطی است که راندمان آن در مقایسه با نوع بازي آن بیشتر است ولی سرعت پایین آن نیاز به زمان زیاد داشته که در شرایط تجاري توجیح مناسبی ندارد.
از رایجترین کاتالیستهاي قلیایی سدیم هیدروکسید و پتاسیم هیدروکسید هستند. شاید بتوان تنها اشکال استفاده از این کاتالیستها را شرکت در واکنش شکلگیري صابون در حین مراحل تولید برشمرد. پدیده صابونسازي، اتفاقی است که اگر با درصد بالایی انجام شود، پیچیدگیها و هزینههاي زیادي را به همراه دارد به شکلی که خالصسازي بیودیزل از سایر ترکیبات را مشکل میکند. پس براي افزایش بازدهی تولید بیودیزل، باید این پدیده را به حداقل برسانیم. صابون به دو شکل در فرایند ایجاد میشود که یکی توسط روغن بوده و دیگري در اثر حضور FFA انجام میشود.
روش اول در اثر وجود آب در فرایند، انجام میشود که این آب یا در اثر واکنش تعادلی بین الکل و کاتالیست قلیایی تولید شده و یا در خوراك موجود است. در روش دوم، زمانی که FFA در خوراك وجود داشته باشد، این ساختار با کاتالیست قلیایی واکنش داده و منجر به تولید صابون و آب میشود و تولید آب یعنی تولید صابون به روش اول و این حساسیت بیشتر میزان FFA را نسبت به آب نشان میدهد. به این ترتیب استفاده همزمان از کاتالیست قلیایی و روغن با FFA بالا مثل روغن پسماند، اشکال دیگر این روغن بوده که براي جبران آن، باید از مرحله پیش تصفیه استفاده کرد.
