Development of multicomponent mixed bio-hydrocarbon fuel for diesel engines

Full Text

Введение Введение стандарта на термины и определения в области биотехнологических методов преобразования энергии биомассы связано с провидимыми учеными и инженерами исследованиями, направленными на решение задач обеспечения экономии горючего и замены жидкого углеводородного нефтяного топлива на топливо не минерального происхождения [1-6]. Согласно ГОСТу дизельное топливо, изготовляемое путем смешения дизельного и биодизельного топлива или дизельного топлива и растительных масел, получило название дизельного смесевого топлива [1]. Применение дизельного смесевого топлива обеспечивает не только экономию жидкого углеводородного нефтяного топлива, но и улучшает экологические качества горючего [2-6]. Обладая позитивными свойствами, смесевое топливо имеет и недостатки, к которым относятся, например, потеря мощности двигателя, повышенный расход горючего [3-5]. Эти недостатки обусловлены несоответствием физико-химических свойств растительных масел требованиям организации рабочего процесса в двигателе [6]. Поэтому цель исследования, посвященная изучению физико-химических свойств смесей дизельного топлива с растительными маслами, а также поиск оптимального соотношения указанных компонентов (обеспечивающего устранение недостатков смесей) не потеряла своей актуальности. Экспериментальная часть Объектами исследования были пробы дизельного топлива (ДТ) летнего вида, пробы нерафинированного арахисового масла (АМ). Содержание арахисового масла (получено ручным холодным отжимом на дубовом прессе) в приготовленных смесях варьировали от 0 до 100%. В состав АМ входят насыщенные, мононенасыщенные и полиненасыщенные жирные кислоты [2]. Определение физических характеристик проб указанных ранее объектов исследования проводили по стандартным методикам. Так, кинематическую вязкость ν измеряли с помощью капиллярного стеклянного вискозиметра ВПЖ-4 и ВПЖ-2, плотность r - ареометром (нефтеденсиметром). Расчет вязкости (ν, сСт) проводили по уравнению: , где С - постоянная вискозиметра, сСт·с-1; τ - среднеарифметическое время истечения проб топлива, масла и смесей дизельного топлива с арахисовым маслом, сек. Цетановое число (ЦЧ) объектов исследования измеряли индикатором ЦЧ ОКТАН-ИМ. Диапазон измерения цетановых чисел варьировался от 30 до 60 единиц. Предел допускаемой абсолютной погрешности измерения ЦЧ составлял ± 2 цетановых единицы (ц.е.). Измерения ЦЧ проводили, используя как заводскую калибровку, так и градуировку с применением масел, применяемых для составления компаундов. Обсуждение результатов Из сопоставления данных (табл. 1) следует, что показатели плотности и вязкости арахисового масла намного выше этих показателей для дизельного топлива. Даже при 100°С вязкость АМ превосходит значение вязкости дизельного топлива в ~5 раз. Следует отметить, что приведенные в табл. 1 значения плотности и вязкости арахисового масла близки к величинам, представленным в литературе. Так, r АМ (по литературным сведениям) составляет 917 кг·м-3, вязкость - 81.5, 36.5, 8.3 мм2·с-1 для температур 20, 40 и 100°С соответственно [2]. Значения плотности и вязкости дизельного топлива идентичны нормируемым параметрам r и u (см. сноски, табл. 1). Таблица. 1 Физико-химические показатели проб дизельного топлива и арахисового масла Объект исследования *r, кг×м-3 при 15°С r, кг×м-3 при 20°С **ν, мм2·с-1 при 20°С **ν, мм2·с-1 при 40°С ν, мм2·с-1 при 100°С ****К ДТ 830.0 828.0 5.1 3,2 1.6 2.80 АМ 918.0 915.0 77.2 36.1 8.4 1-2.25 * плотность при 150С для дизельного топлива по нормам ГОСТ 32511-2013 и ГОСТ 305-2013 (EN 590:2009) составляет 820.0-845.0 кг·м-3 и 863.4 кг·м-3 (Л), 843.4 кг·м-3 (З) соответственно; **вязкость при 20°С для дизельного топлива по нормам ГОСТ 32511-2013 составляет 3.0-6.0 мм2·с-1 (Л) и 1.8-5.0 (З) мм2·с-1; ***вязкость при 40°С для дизельного топлива по нормам ГОСТ 305-2013 составляет 2.0-4.5 мм2·с-1; ****кислотность, мг КОН на 100 см3, не более 5 (ГОСТ 305-2013) для дизельного топлива и кислотное число в мг КОН на г, не более 1-2.25 для арахисового масла первого и высшего сорта (ГОСТ 7981-68). Присутствующее в дизельном топливе арахисовое масло в концентрациях от 5 до 20% оказывает, в отличие от смесей с более высоким содержанием АМ, менее сильное воздействие на вязкость компаунда (табл. 2). Параметр u смесей (при 20 и 40°С), содержащих 5-10% АМ, соответствует требованиям, предъявляемым к дизельному топливу (см. сноски, табл. 1). Следовательно, указанные компаунды могут без каких-либо ограничений использоваться в качестве топлива в дизелях. Подтверждает данный вывод параметр r. Плотность этих смесей должна надежно попадать в регламент на r дизельного топлива, т.к. измеренные значения плотности, превосходящие нормируемую величину (863.4 кг·м-3), наблюдаются для концентраций АМ выше 40% (табл. 2). Таблица. 2 Физико-химические показатели смесей дизельного топлива с арахисовым маслом Параметр Содержание АМ в смеси, % 5 10 15 20 25 30 40 45 50 60 70 75 r, кг×м-3 при 20°С ---- ---- ---- ---- 841 847 858 870 878 887 898 909 u, мм2·с-1 при 20°С 5.9 6.1 6.8 8.5 10.3 13.2 ---- ---- 19.2 ---- 34.9 ---u, мм2·с-1 при 40°С 3.7 3.9 4.3 5.2 5.9 7.8 ---- ---- 10.6 ---- 17.7 ---u, мм2·с-1 при 100°С 1.7 1.8 1.9 2.0 2.4 2.5 ---- ---- 3.5 ---- 5.2 ---- Энергию активации вязкого течения (Еа) определяли, используя методы математической статистики, программное обеспечение Microsoft Office Excel (Пакет анализа - Анализ данных - Регрессия) и STATISTICA [7, 8]. Зависимость вязкости установившегося процесса течения ν от температуры описывается уравнением Френкеля-Андраде [9, 10]: , где А - постоянная; Еа - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура. Для определения Еа использовали значения вязкости, измеренные при температурах 20, 40, 70 и 100°С. Анализировали зависимость: , где y - логарифм вязкости lnν; a - свободный член, b - коэффициент регрессии, равный отношению Еа к R; х - обратная абсолютная температура 1/Т. Параметр Еа арахисового масла выше энергии активации вязкого течения дизельного топлива (табл. 3). Аналогичная закономерность наблюдается и в смесях, содержащих АМ. Следовательно, арахисовое масло повышает потенциальный барьер, который должны преодолеть молекулы смеси для перехода из одного слоя в другой слой жидкости. Параметр Еа для смесей с 5-10%-ным содержанием АМ отличатся от значения Еа топлива всего на ~ 4%. Резкое возрастание энергии активации характерно для смесей, содержащих более 20% АМ. Компаунд, в котором присутствует 15% АМ, можно так же, как смеси с более низкой концентрацией масла, использовать непосредственно в качестве топлива в дизелях. На такой вывод указывает разница в энергиях активации ДТ и смеси, которая не превышает ~ 10%. Таблица 3 Энергия активации вязкого течения дизельного топлива, арахисового масла и смесей ДТ с АМ Параметр Содержание АМ в смеси, % 0 (ДТ) 5 10 15 20 25 50 100 (АМ) Еа, кДж·моль-1 13.3 13.9 13.9 14.4 15.7 16.7 19.3 25.3 Известно, что при воздействии температуры растительные масла подвергаются окислению и полимеризации [11, 12]. Величина энергии активации, свидетельствующая о протекании окислительного процесса арахисового масла, равна ΔH = 50 кДж·моль-1 [11]. Потенциальный барьер, преодолеваемый молекулами АМ, при переходе из одного слоя в другой слой жидкости составляет 25.3 кДж·моль-1 (табл. 3). Такое отличие ΔH и Еа свидетельствует, что на измерение вязкости (в интервале температур от 20 до 100°С) окислительные процессы не оказывают влияния. Подтверждением этого вывода являются данные старения арахисового масла. Заметное окисление АМ наблюдается при воздействии тепла (62°С) в течение нескольких часов [11]. Определение индикатором ОКТАН-ИМ цетанового числа основано на измерении комплексной диэлектрической проницаемости дизельного топлива (εкомп) [13]. Этот метод (диэлькометрия) относится к косвенному однофакторному способу определения ЦЧ. Математическая модель, описывающая связь εкомп с цетановвым числом, нелинейная [13]: . (1) Формула (1) справедлива в диапазоне значений εкомп от 2.303 до 2.327 и ЦЧ от 37 до 53 ц.е. Диэлектрическая проницаемость АМ равна 3.0-3.2, цетановое число - 37 [2]. Параметр εкомп АМ, при равенстве значений ЦЧ масла и дизельного топлива, превосходит диэлектрическую проницаемость топлива на 23-28%. Такое отличие εкомп арахисового масла от диэлектрической проницаемости ДТ с цетановым числом 37 ц.е. указывает, что данные для смесей ДС с АМ могут отличаться от величин ЦЧ, характерных для дизельных топлив. Эти значения, согласно установленной закономерности для ДТ, в смесях, содержащих АМ, должны быть ниже параметра ЦЧ дизельного топлива. Однако цетановые числа смесей (измеренные по значениям калибровки, проведенной производителем ОКТАН-ИМ) с возрастанием доли в компаунде АМ не падают, а наоборот растут. Поэтому оценку цетановых чисел смесей проводили, используя зависимость ЦЧ арахисового, рапсового (РМ) масел и дизельного топлива от псевдоцетанового числа (ПЦЧ). Псевдоцетановое число (руководство по эксплуатации октанометра ОКТАН-ИМ) - это значение диэлектрической проницаемости масел и топлива, приведенное к диапазону 45.61-56.30 ц.е. Для градуировки использовали цетановые числа АМ, РМ и ДТ, равные соответственно 37, 36, 47.5 ц.е. Зависимость ЦЧ от измеренных параметров ПЦЧ представляла собой, в отличие от (1), прямую линию. Таблица 4 Цетановые числа смесей (СМ) дизельного топлива с арахисовым маслом Параметр Содержание АМ, % 20 30 50 70 80 90 ЦЧ 46.0 45.3 43.1 38.1 37.6 37.0 В табл. 4 представлены значения ЦТ смесей АМ с ДТ. Компаунды, содержащие 50-90% АМ, по величине ЦЧ не попадают в интервал (45-55 ц.е.) значений, закрепленных в ГОСТах на дизельное топливо [14-17]. Цетановое число СМ-50, равное 43.1, выше минимального значения (40 ц.е.), необходимого для нормальной работы двигателя при его питании дизельным топливом [17]. Силовой агрегат работает на ДТ с ЦЧ ниже 40 ц.е. с перебоями, возрастет износ мотора. Следовательно, смеси с высоким содержанием АМ (больше 50%), по аналогии с дизельным топливом не могут быть использованы в качестве горючего. Следует отметить, что цетановые числа смесей с увеличением в компаунде АМ, имеющего более низкое значение ЦЧ, падают. Идентичная закономерность, но с обратным знаком, наблюдается в сурепно- и редечно-минеральных топливах [4]. В отличие от АМ, сурепное и редечное масло обладают более высоким, чем ДТ, значением ЦЧ. Поэтому цетановые числа смесей с увеличением содержания в них масел растут. Мощностные, топливо-экономические и экологические показатели двигателей, работающих на растительном масле, смесях ДТ и масел, определяют, проводя моторные исследования дизелей, которыми оснащают тракторы, строительные машины и специальную технику [3, 4, 12, 20, 21]. Эксперименты проводят также и на одноцилиндровом дизельном двигателе [12, 22]. Из анализа показателей, представленных в литературных источниках, следует, что смесевое ДТ, растительное масло улучшают экологические качества горючего. Мощность дизеля, работающего на смеси или на масле, ниже мощности мотора, питаемого дизельным топливом. Расход горючего выше расхода, регистрируемого при работе двигателя на дизельном топливе. К этому перечню негативных явлений (потеря мощности, увеличение расхода горючего) можно отнести образование, при работе двигателя на рапсовом масле (РМ) и смесях, содержащих более 25% РМ, отложений на клапанах, поршне и коксование форсунок [12, 21]. Для организации рабочего процесса в дизеле, работающем на смесях, используют дополнительное оборудование - нагреватели, смеситель, емкость с растительным маслом [2, 4, 12]. Представленные негативные явления, применение дополнительного оборудования усложняют не только проведение моторных испытаний, но и указывают на необходимость осторожного отношения к использованию в качестве горючего растительных масел и смесевого дизельного топлива, содержащего более 20% растительного масла. Компенсировать недостатки смесевого дизельного топлива можно посредством введения в него третьего компонента. В качестве такого компонента целесообразно использовать керосин (КЕР; КО-25 ТУ 38.401-58-10-01), служащий средством, позволяющим улучшить низкотемпературные свойства дизельного топлива [18]. В состав смеси (СМК), которая удовлетворяла требованию, предъявляемому к вязкости, входили 33% КЕР, 29% ДТ и 38% арахисового масла. Максимальное значение вязкости, обеспечивающей качественное распыливание и хорошую прокачиваемость топлива, составляет (при температуре 20°С) 9 мм2·с-1 [18]. Параметры r, ν и цетановое число СМК составили 845.0 кг×м-3 (20°С), 8.0 мм2·с-1 (20°С), 44.6 ц.е. соответственно. Арахисовое масло обладает высокой окислительной стабильностью (ОС). Так, окислительная стабильность АМ составляет 14.6 часов, ОС рапсового масла - 6.0 часов [22]. Это значит, что старение и связанные с ним процессы окисления и полимеризации в рапсовом масле и, следовательно, в смеси рапсового масла и дизельного топлива протекают с большей, чем для АМ скоростью. Использование АМ в качестве горючего в виде многокомпонентной смеси наиболее актуально в африканских странах, где отсутствует двигателестроение. Заключение Таким образом, взяв за критерии применимости арахисового масла (в качестве компонента горючего) значения плотности, вязкости, цетановые числа дизельного топлива можно констатировать, что наиболее перспективным следует считать питание дизельного двигателя смесями, содержащими не более 20% АМ. При содержании в смеси АМ более 20% по аналогии, например, с рапсовым маслом, необходимо повышать температуру смеси, поступающей в насос высокого давления. Недостатки смесевого дизельного топлива можно компенсировать посредством введения в него керосина. Следует отметить, что для окончательного вывода о применимости указанных смесей требуется проведение натурных испытаний.

About the authors

Salim Soo

Peoples' Friendship University of Russia

H.I. Abdel' Sater

Peoples' Friendship University of Russia

PhD in Engineering

A. A Hodyakov

Peoples' Friendship University of Russia

PhD in Chemistry

S. V Hlopkov

Peoples' Friendship University of Russia

Email: khlopkov_sv@rudn.university

References

Supplementary files