Семенов В.Г.: разработка альтернативного топлива

Семенов Владимир Григорьевич 

 

Базовое образование:
Инженер-механик по двигателям внутреннего сгорания. (Харьковский политехнический институт).

Круг интересов:

альтернативные топлива из растительных масел и животных жиров (от исходного сырья до эколого-экономических характеристик дизелей) - 80 публикаций +6 патентов

новый электропривод в механизмах и системах двигателей (электронизация топливной аппаратуры дизелей - многостадийный впрыск; бензиновая насос-форсунка Pвпр=60-80 Бар; электропривод клапанов впускных и выпускных и др.)

10 публикаций +9 патентов России и Украины процессы впрыскивания, распыливания, смесеобразования и сгорания в дизелях.

Последнее время все большее распространение в Европе (6 млн.т./год) приобретает восстанавливаемое альтернативное топливо «биодизель» (метиловые эфиры растительных масел - МЭРМ - рапсового, соевого, подсолнечного и др.) Особенностью «биодизеля» является его повышенные на 8-10% плотность ρ и в 2 раза кинематическая вязкость ν по сравнению с дизельным топливом ДТ. Это безусловно сказывается на процессах впрыскивания, и смесеобразования и сгорания в цилиндре дизеля и, в конечном итоге, на его интегральных эколого-экономических показателях.

Смотрите сайты Владимира Григорьевича: www.semenovv.kharkiv.com  и www.biodiesel.org.ua.

Контакты: semenovv11@gmail.com

Производство биодизельного топлива из липидов (масла) микроводорослей (мкв)

Семенов В.Г. (Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» совместно с  ООО «Биодизель – Днепр»)

   По мере того, как растет интерес к биодизельному топливу как альтернативы минеральному дизельному топливу, многие видят решение проблемы дефицита нефти в выращивании больших объемов масличных культур. В редакционной статье журнала «Альтернативное топливо» №3 (7), март 2008 года В. Давий анализирует ситуацию, сложившуюся в мировой  биодизельной отрасли. Во-первых, производство большего количества масличных культур заняло бы площади, отводимые под продовольственные культуры, выращиваемые для питания людей.

Во-вторых, традиционные масличные культуры – не самый производительный и эффективный источник жиров растительного происхождения. Вследствие развития биодизельной отрасли и увеличения доли непищевого использования растительных масел в мире резко вырос интерес ко всем масличным культурам, в первую очередь рапсу, подсолнечнику и сои, мировые цены на масло из которых достигло, соответственно, 1500 дол/т, 1840 дол/т (Украина 8800 – 9700 грн/т) и 1500 дол/т. При этом цена на нефть достигла 133 дол/брл (800 – 850 дол/т), а выход дизельной фракции составляет 20-25%.

   Нарекания в адрес производителей биодизельного топлива заставляет последних искать виды сырья непищевого назначения. К ним можно отнести соапсток (отходы щелочной нейтрализации растительных масел и жиров), фуз (баковый осадок растительных масел), отработанный маслосодержащий фильтровальный порошок, отработанный фритюрный жир, «мультисырье» мясокомбинатов и птицефабрик, масло ятрофы, липиды микроводорослей.

В заключение необходимо отметить основные преимущества биоустановок (фотобиореакторов) для культивирования МКВ:

 – максимальная эффективность в использовании освещения и, как следствие, значительно более высокая производительность;

 – экономия пространства, реактор устанавливается вертикально, горизонтально, как в помещении, так и за его пределами;

 – возможность создания конфигурации любого размера;

 – значительное снижение потребности в рабочей силе, устранение проблем с разгрузкой/погрузкой;

 – системы могут действовать в течение долгого времени без гибели культуры МКВ;

 – применение закрытых управляемых автоматизированных систем непрерывного действия значительно облегчают поддержание гигиены производства МКВ;

 – простота контроля экологических параметров;

 – система самоочистки реактора существенно уменьшает его загрязнение;

 – низкое потребление энергии оборудованием обеспечивается за счет использования дизельгенератора.

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ПАРАМЕТРЫ ДИЗЕЛЯ И ЕГО ЭКОЛОГО-ЭКСПЛУТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

 

В.Г. Семёнов, Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков

C.В. Рудаченко, Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков

 

Экономия энергоносителей нефтяного происхождения, ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизелей, а также ограничение эмиссии диоксида углерода заставляют большинство стран искать пути снижения опасности влияния тепловых двигателей на окружающую среду.

В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные биотоплива на основе масел и животных жиров. Интенсивные работы по переводу дизельных двигателей на биотопливо ведутся как в странах с ограниченными топливно-энергетическими ресурсами, так и в высокоразвитых странах, имеющих возможность приобретения жидких энергоносителей.

Биодизельное топливо (биодизель, МЭРМ, РМЭ, RME, FAME, EMAG, бионафта и др.) – это экологически чистый вид биотоплива, получаемый из жиров растительного и животного происхождения и используемый для замены нефтяного дизельного топлива (ДТ). С химической точки зрения биодизельное топливо представляет собой смесь метиловых (этиловых) эфиров насыщенных и ненасыщенных жирных кислот.

В таблице 1 – приведены Европейский стандарт EN 14214:2003 “Автомобильные топлива. Метиловые эфиры жирных кислот (FAME) для дизельных двигателей. Требования и методы испытаний” и национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия».

Вкратце рассмотрим влияние некоторых физико-химических показателей биодизельного топлива, определяемые стандартом EN 14214:2003, на параметры дизеля и его эколого-эксплуатационные характеристики. Повышенные, по сравнению с дизельным топливом, на 10% плотность и кинематическая вязкость в 1,5 раза способствуют некоторому увеличению дальнобойности топливного факела и диаметра капель распыленного топлива, что может привести к увеличенному попаданию биодизельного топлива на стенки камеры сгорания и гильзы цилиндра. Меньшие значения коэффициента сжимаемости биодизельного топлива приводит к увеличению действительного угла опережения впрыскивания топлива и максимального давления в форсунке. Высокое цетановое число биодизельного топлива 51 и более способствует сокращению периода задержки воспламенения и менее «жесткой» работе дизеля. Повышенная почти в 3 раза, температура вспышки биодизельного топлива в закрытом тигле 120 ºС и более, обеспечивает высокую пожаробезопасность. Кислород (~ 10 %) в молекуле метилового эфира действует по следующим направлениям. Наличие окислителя непосредственно в молекуле топлива позволяет интенсифицировать процесс сгорания и обеспечить более высокую температуру в цилиндре дизеля, что, с одной стороны, способствует повышению индикаторного и эффективного к.п.д. двигателя, а с другой – приводит к некоторому увеличению оксида азота NOx в отработавших газах. Меньшая доля углерода (~ 77 %) в молекуле биодизельного топлива приводит к уменьшению его низшей теплоты

Таблица 1. Физико-химические показатели биодизельного и дизельного  ЕВРО топлив

Показатели

Европейский стандарт на  метиловые эфиры жирных кислот для дизельных двигателей

EN14214:2003

Национальный стандарт Российской Федерации на топливо дизельное ЕВРО

ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2004)

Размерность

пределы

Наименование показателя

Значение

min

max

Содержание эфира

% (м/м)

96,5

 

Плотность при температуре 15 0С, кг/м3

820-845

Плотность при температуре 15°С

кг/м3

860

900

 

Кинематическая вязкость при температуре 40°С

мм2

3,50

5,0

Кинематическая вязкость при 40°С, мм2

2,00-4,50

Температура вспышки

°С

120

Температура вспышке, и в закрытом тигле,  °С, выше

55

Содержание серы

мг/кг

10,0

Содержание серы, мг/кг, не более

l-350; ll-50,0;

 lll-10,0

Коксуемость 10% остатка

% (м/м)

0,30

Коксуемость, 10% остатка разгонки, %(м/м), не более

0,30

Цетановое число

 

51,0

 

Цетановый индекс, не менее

46,0

Зольность

% (м/м)

0,02

Цетановое число, не менее

51,0

Содержание воды

мг/кг

500

Зольность, % (м/м), не более

0,01

Содержание механических примесей

мг/кг

24

Содержание воды, мг/кг, не более

200

Испытания на медной пластинке (3 часа при 50°С)

оценка

класс 1

Общее загрязнение, мг/кг, не более

24

Окислительная стабильность, 110°С

часов

6,0

Коррозия медной пластинки (3 часа при 50 0С), единицы по шкале

Класс 1

Кислотное число

мг КОН/г

 

0,50

Окислительная стабильность: общее количество осадка, г/м3, не более

25

Йодное число

г J2 / 100 г

 

120

Полициклические ароматические углеводороды, % (м/м), не более

11

Метиловый эфир линоленовой кислоты

% (м/м)

 

12,0

Фракционный состав:

 

Полиненасыщенные (>=4 двойных связи) метиловые эфиры

% (м/м)

 

1

При температуре 250 0С, % (об/об),    менее

65

Содержание метанола

% (м/м)

 

0,20

 

При температуре 350 0С, % (об/об), не  менее

 

85

Содержание моноглицеридов

% (м/м)

 

0,80

95% (об/об) перегоняеться при температуре, 0С, не выше

360

Содержание диглицеридов

% (м/м)

 

0,20

Смазывающая способность:

скорректированный диаметр пятна износа при

60 0С, не более

460

Содержание триглицеридов

% (м/м)

 

0,20

 

Свободный глицерин

% (м/м)

 

0,02

Наименование показателя

значение для марок

Общий глицерин

% (м/м)

 

0,25

Предельна температура фильтруемости, 0С, не выше (топливо для умеренного климата)

A

B

C

1-а группа металлов (Na+K)

2а группа металлов (Ca+Mg)

мг/кг

мг/кг

 

5,0

5,0

5

0

-5

 

Содержание фосфора

мг/кг

 

10,0

D

E

F

 

-10

-15

-20

 

Содержание  метиловых эфиров жирных кислот, %(об/об), не более

5

 

 

сгорания на 13 – 15 % и увеличению часового и удельного эффективного расходов топлива. Для сохранения номинальных параметров двигателя при переводе на биодизельное топливо требуется перерегулировка топливной аппаратуры (упор рейки топливного насоса высокого давления переустанавливают на увеличение цикловой подачи топлива). Применение биодизельного топлива позволяет обеспечить снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. Для дизельных двигателей с вихревой камерой (предкамерой) и непосредственным впрыском снижение соответственно составляет: СО – 12 (10) %, СnНm – 35 (10) %, РМ (твердые частицы) – 36 (24) %, сажа – 50 (52) %. Некоторое увеличение выбросов NOx можно компенсировать рядом мероприятий: уменьшением действительного угла опережения впрыскивания топлива, рециркуляция отработавших газов, подача воды на впуске.

При эксплуатации дизельных двигателей на биодизельном топливе необходимо обратить внимание на следующее (см. табл. 2). Перед началом эксплуатации двигателя на биодизельном топливе необходимо промыть фильтр грубой и тонкой очистки топлива. Из-за повышенной агрессивности такого топлива требуется смена топливных шлангов и прокладок на изготовленные из устойчивого к биотопливу материала, а также тщательное удаление биодизельного топлива, попавшего на лакокрасочные покрытия. В некоторых случаях требуется более частая смена моторного масла из-за возможного разжижения попадающим в него биодизельным топливом. Возможно некоторое увеличение уровня шума и дымности при холодном пуске, при пониженных температурах требуется применение депрессорных присадок. Необходимо осуществлять контроль содержания воды в биодизельном топливе (из-за его большой гигроскопичности), чтобы избежать опасности развития микроорганизмов, образования перекисей и коррозионного воздействия воды, в том числе и на элементы топливной аппаратуры.

 

Таблица 2. Возможные неисправности дизеля, топливной аппаратуры и его систем при работе на биодизельном топливе

Составляющие и характеристики топлива

Действие

Неисправность

1

2

3

Метиловые эфиры жирных кислот

Вызывает высыхание, затвердевание и разрушение резиновых изделий, попадание в моторное масло

Течь топлива. Более частая смена моторного масла

Свободный метанол

Коррозия алюминия и цинка

Коррозия топливной аппаратуры. Низкая температура вспышки в закрытом сосуде.

Свободная вода в топливе

Преобразование метиловых эфиров растительного масла в жирные кислоты. Коррозия. Увеличение электропроводности топлива, развитие микроорганизмов

Засорение фильтра. Коррозия топливной аппаратуры

Свободный глицерин

Коррозия цветных металлов. Образование осадка на движущихся частях и на лакокрасочном покрытии

Засорение фильтров. Засорение сопел топливных форсунок

Монои диглицериды

Такое же, как и глицерин

 

Свободные жирные кислоты

Образование электролита и ускорение коррозии цинка. Образование солей органических кислот. Образование органических соединений

Коррозия топливной аппаратуры. Засорение фильтра. Отложение осадка на деталях

Увеличение плотности топлива

Увеличение давления впрыска

Уменьшение ресурса топливной аппаратуры

Большая вязкость при низкой температуре

Более жесткие условия работы ТНВД. Повышенный износ деталей

Повышенный износ деталей ТНВД. Ухудшение показателей впрыска топлива. Необходимость применения депрессорных присадок

Твердые частицы

Ухудшение смазочных способностей топлива

Снижение ресурса топливной аппаратуры

Муравьиная и уксусная кислоты

Коррозия всех металлических частей

Коррозия топливной аппаратуры

Высокомолекулярные органические кислоты

Такое же, как и свободные жирные кислоты

Коррозия топливной аппаратуры. Засорение фильтра. Отложение осадка на деталях

Продукты полимеризации

Отложение осадков, особенно в смесевых топливах

Засорение фильтра

Фосфор

Отравление нейтрализаторов и катализаторов системы выпуска дизеля

Выход из строя, снижение уровня экологической безопасности отработавших газов (ОГ) дизеля