Low-temperature properties of fuel blends based on biodiesel derived from frying oil wastes

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, вопрос о глобальной энергетической безопасности является как никогда актуальным. Двигатели автотракторной техники являются одним из загрязнителей окружающей среды вредными веществами и парниковыми газами. В связи с этим, наиболее актуальным стало направление безуглеродной или углеродно-нейтральной энергетики. Основная ставка при этом делается на применении электропривода транспортной и иной техники. Однако, даже самые оптимистичные подсчеты позволяют сделать вывод, что полностью заменить двигатели внутреннего сгорания во многих областях в ближайшее время не удастся [1]. В связи с этим, актуальной остается задача снижения углеродного следа автотракторной техники, оборудованной ДВС. Решить указанную выше проблему можно заместив топливо полностью или частично на углеродно-нейтральное, например, на основе топливных смесей растительного происхождения [2].

Многочисленные исследования показывают, что растительные масла могут быть использованы, как добавка к дизельному топливу [3-6]. В чистом виде их использовать нельзя по причине более высоких значений вязкости, особенно, при отрицательных температурах. В связи с этим, целесообразно вязкость масел понижать. Сделать это можно несколькими путями [6-10]:

1. смешав с менее вязкими компонентами (дизельное топливо, спирты, керосин и т.п.);
2. реакцией этерификации с получением основных компонентов в виде биодизеля и глицериновой фракции;
3. комбинацией первых двух вариантов.

Известно, что вязкость биодизеля на основе метилового эфира рапсового масла ниже, чем подсолнечного и поэтому он предпочтителен для использования в качестве дизельного топлива, как продукт переработки первичных растительных масел [11, 12, 13, 14]. Однако, такие топливные смеси имеют высокую себестоимость. Более привлекательным в таком случае является получение биодизеля из отработанных фритюрных масел, которые являются отходами точек общественного питания и подлежат утилизации [15-17]. В качестве растительных масел при приготовлении пищи в России наиболее часто употребляется подсолнечное масло. Причем использование эфиров отработанного подсолнечного масла для дизельных двигателей автомобилей и иной техники изучено недостаточно. В первую очередь, возможность применения таких топливных композиций при низких температурах.

Многочисленными исследованиями установлено, что для получения эфиров могут быть использованы метиловый, этиловый, изопропиловый и бутиловый спирты (см., например, [8, 9, 11, 16]). Первые два варианта являются более изученными, по причине низкой стоимости метилового спирта и, в меньшей степени, этилового. В то же время, ряд работ указывает на то, что эфиры на основе высокоатомных спиртов имеют более низкую температуру замерзания и помутнения, нежели, например, метиловый спирт [9]. Кроме того, реакция этерификации с высокоатомными спиртами возможна при более высоком содержании воды, при более высоких температурах и значительно быстрее, чем в случаях использования низкоатомных спиртов (время реакции сокращается более чем в два раза) [17].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование низкотемпературных свойств топливных смесей на основе биодизеля, полученного из отработанного фритюрного масла.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Биодизель из отработанного масла получали по следующей методике:

1. очищалось сырье (масло) от мельчайших примесей и воды (исходная масса отработанного растительного масла 300 г). Для этого масло отстаивалось, фильтровалось и нагревалось до высокой температуры с целью удаления воды, после чего охлаждалось;
2. смешивалась порция спирта (20% от ОРМ) с щелочным катализатором гидроксид натрия (1% от ОРМ);
3. смесь нагревалась до 60–80 °С и перемешивалась при этой температуре в течении примерно 1 часа;
4. полученная в результате реакции смесь не расслаивалась, образуя вязкий конгломерат из глицерино-мыловой фракции и биодизеля, поэтому после остывания ниже 30 °С фильтровалось через марлевый фильтр;
5. после этого полученный биодизель промывался теплой водой для получения чистого биодизельного топлива.

Получившееся биодизельное топливо (далее – «биодизель») представляет собой прозрачную маслянистую жидкость янтарного цвета со специфическим слабовыраженным запахом.

Для уменьшения плотности биодизеля было решено использовать добавку бутанола, которая составила 20% по массе, при этом получилась новая топливная смесь, которую далее условимся называть В20С.

В дальнейшем образцы полученного биодизеля и В20С смешивались с дизельным топливом. При этом два образца смешивалось с летним дизельным топливом: один из которых содержал 20% биодизеля, а другой 20% В20С. Остальные образцы смешивались с дизельным зимним топливом в пропорциях 20%, 40%, 60% и 80% В20С по массе и один 20% биодизеля (рис. 1).

 

Рис. 1. Образцы топливных смесей для исследования.

Fig. 1. Samples of fuel blends for study.

 

У каждого образца измерялись вязкость и плотность. Вязкость образцов измерялась при температурах окружающего воздуха –20°С, при 0°С, при 20°С и 40°С. Отрицательные и нулевые температуры достигались помещением образцов в естественные условия (то есть образцы замораживали на улице).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Плотность полученного биодизеля составила при температуре 20°С 880 кг/м³, что выше, чем у зимнего дизельного топлива – 825 кг/м³ (у летнего 830 кг/м³) и ниже, чем у исходного отработанного фритюрного масла – 920 кг/м³ (рис. 2).

 

Рис. 2. Диаграмма распределения плотностей для выбранных видов топлива: ОРМ – отработанное растительное масло; БД – биодизель; ДТ – дизельное топливо; В20С – биодизель с 20% содержанием спирта.

Fig. 2. Density distribution diagram for selected fuel types: ORM –vegetable oil wastes; BD – biodiesel; DT – diesel fuel; B20C – biodiesel with 20% alcohol content.

 

Добавление спирта к биодизелю показало, что вязкость смеси также снизилась. Сравнение вязкости биодизеля без добавок и В20С представлено на рис. 3.

 

Рис. 3. График зависимости вязкости биодизеля от температуры: ЧБД – биодизель; В20 – биодизель с 20% содержанием спирта.

Fig. 3. Dependence graph of the biodiesel viscosity on temperature: CHBD – biodiesel; B20 – biodiesel with 20% alcohol content.

 

Анализ данных представленных на рис. 3 позволяет заключить, что вязкость при температуре 0°С снизилась практически в два раза, но все еще осталась высока для базовых значений дизельного топлива, поэтому в дальнейшем исследовались композиции в смеси с дизельным топливом.

Опыты показали, что смеси биодизеля, бутанола и дизельного топлива легко смешиваются, образуя однородную жидкость, и в дальнейшем не расслаиваются.

График зависимости плотности смесевого топлива от процентного содержания биодизеля в зимнем дизельном топливе показал линейное увеличение плотности по мере роста концентрации биодизеля В20С (рис. 4).

 

Рис. 4. График зависимости плотности смесевого топлива от процентного содержания биодизеля В20С.

Fig. 4. Dependence graph of the fuel blend density on the percentage of the B20C biodiesel.

 

Анализ данных графика позволил заключить, что смесевое топливо на основе биодизеля В20С и зимнего дизельного топлива соответствует ГОСТ 32511–2013 по плотности и вязкости с содержанием биодизеля до 40% по массе. Вязкость смесевого топлива соответствует ГОСТ при содержании биодизеля уже до 60%, но ключевым показателем для определения процентного содержания биодизеля в топливе являются его низкотемпературные свойства. В частности, вязкость при более низких температурах, температура помутнения и предельная температура фильтруемости.

Замораживание образцов в естественных условиях выявило, что образцы 1, 3, 5, 8, 9, 10 (табл. 1) помутнели и загустели при температуре –20°С, поэтому вязкость данных образцов не измерялась (рис. 5). Это образцы топлив на базе летнего дизельного топлива и с большим процентным содержанием биодизеля В20С (60% и более, (см. табл. 1)).

 

Таблица 1. Расшифровка образцов с дизельным зимним/летним топливом в пропорциях 20%, 40%, 60% и 80% В20С по массе и один 20% чистого биодизеля

Table 1. Interpretation of samples with winter/summer diesel fuel in proportions of 20%, 40%, 60% and 80% of the B20C by weight and one with 20% of pure biodiesel

Номер образца	Шифр	Расшифровка
1	ЛДТ	Летнее дизельное топливо
2	ЗДТ	Зимнее дизельное топливо
3	ЛДВ 20	Летнее дизельное топливо + 20% биодизеля
4	ЗДВ 20	Зимнее дизельное топливо + 20% биодизеля
5	ЛДВ 20С	Летнее дизельное топливо + 20% биодизеля В20С
6	ЗДВ 20С	Зимнее дизельное топливо + 20% биодизеля В20С
7	ЗДВ 40С	Зимнее дизельное топливо + 40% биодизеля В20С
8	ЗДВ 60С	Зимнее дизельное топливо + 60% биодизеля В20С
9	ЗДВ 80С	Зимнее дизельное топливо + 80% биодизеля В20С
10	В20С	Биодизель В20С

 

Рис. 5. Образцы биодизеля с дизельным топливом, помутневшие или застывшие при температуре до –20°С.

Fig. 5. Samples of biodiesel with diesel fuel blurred or frozen at temperature down to -20°С.

 

При этом четыре образца не помутнели и сохранили текучесть (рис. 6). Это образцы 2, 4, 6, 7 (см. табл. 1).

 

Рис. 6. Образцы биодизеля с дизельным топливом, сохранившие текучесть при температуре –20°С.

Fig. 6. Samples of biodiesel with diesel fuel, retained fluidity at a temperature of –20°C.

 

Совмещенный график вязкости исследуемых образцов от процентного содержания биодизеля в смеси с зимним дизельным топливом представлен на рис. 7.

 

Рис. 7. График зависимости вязкости смесевого топлива от процентного содержания биодизеля В20С при температурах от –20°С до +40°С.

Fig. 7. Dependence graph of the fuel blends viscosity on the percentage of the В20С biodiesel at temperatures from -20°С to +40°С.

 

Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что вязкость смесевого топлива при 40°С удовлетворяет требованиям ГОСТ при процентном содержании биодизеля до 60%, но использование такого процентного содержания возможно только до 0°С. Текучесть и фильтруемость топлива при температурах –20°С сохраняется только у топлив с содержанием биодизеля до 40% по массе, однако рекомендовать 40%-ную смесь для эксплуатации при температуре –20°С нельзя по причине значительной вязкости и ухудшенной фильтруемости. Для данной смеси предельно низкая температура составляет около –10°С. Эта же температура является предельной для смеси зимнего дизельного топлива с 20%-ным содержанием чистого биодизеля из отработанного растительного масла.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Использование биодизеля, полученного из отработанного растительного (фритюрного) масла, при низких температурах возможно только в смеси с зимним дизельным топливом до 20% по массе и при температурах окружающей среды до –10°С;
2. Для улучшения низкотемпературных свойств смесей биодизеля с зимним дизельным топливом рекомендуется добавка 20% бутанола по массе от биодизеля. При этом появляется возможность использовать смесевые топлива с концентрацией 20% биодизеля В20С до температур окружающего воздуха до –20°С, а при температурах до –10°С доля замещения дизельного топлива составляет до 40%.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. С.Н. Кривцов ― написание текста рукописи, экспертная оценка, утверждение финальной версии; Т.И. Кривцова ― редактирование текста рукописи, создание изображений; Н.И. Ковалёва ― поиск публикаций по теме статьи, редактирование текста рукописи. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. S.N. Krivtsov ― writing the text of the manuscript, expert opinion, approval of the final version; T.I. Krivtsova ― editing the text of the manuscript, creating images; N.I. Kovaleva ― search for publications on the topic of the article, editing the text of the manuscript. The authors confirm that their authorship complies with the international ICMJE criteria (all authors made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sergey N. Krivtsov

Irkutsk National Research Technical University

Email: krivcov_sergei@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0462-8455
SPIN-code: 9278-4018

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Automotive Transport Department

Russian Federation, Irkutsk

Tatiana I. Krivtsova

Irkutsk National Research Technical University

Email: tatyana_krivcova1985@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9425-2062
SPIN-code: 5695-7595

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Automotive Transport Department

Russian Federation, Irkutsk

Nadezhda I. Kovaleva

Irkutsk National Research Technical University

Author for correspondence.
Email: okladnikova_ni@mail.ru
ORCID iD: 0009-0007-2611-1605
SPIN-code: 4898-2574

Postgraduate of the Automotive Transport Department

Russian Federation, Irkutsk

References

Supplementary files