CC BY
54Повышение экологической безопасности дизельных двигателей путем использования топлив на основе метилового спирта
■
В.А. Лиханов, профессор, зав. кафедрой ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», д.т.н., О.П. Лопатин, доцент кафедры ФГБОУ ВО «Вятская ГСХА», к.т.н.
Обоснована необходимость использования экологичного биотоплива для автотранспортных средств. Проанализированы возможности и пути использования ими биотоплива на основе метанола и метилового эфира рапсового масла (МЭРМ). Представлены физико-химические свойства указанных видов биотоплива. В целях разработки, определения и оптимизации состава экологичных видов биотоплива для дизелей проведены их испытания при работе на метаноло-топливной эмульсии (МТЭ) и метаноле с МЭРМ. Проведены экспериментальные исследования дизелей на указанных видах биотоплива и обосновано перспективное решение улучшения их экологических показателей. При работе дизеля на МТЭ происходит снижение содержания в отработавших газах (ОГ) - оксидов азота (N0^) на 41,3 %, сажи на 85,5 %, диоксида углерода (С02) на 6,7 %, оксида углерода (СО) на 45,0 %; при работе на метаноле и МЭРМ - N0^ на 47,4%, сажи на 90,4 %, СО на 44,8 %.
__Ключевые слова:
биотопливо, метанол, эмульсия, рапсовое масло, дизель.
Х
орошо известно, что для автотранспорта постоянно разрабатываются и совершенствуются нормы выбросов вредных веществ не только в масштабах конкретного региона или страны, но и в рамках международных программ ЕЭК ООН. В настоящее время экологические требования к автотранспорту являются наиболее приоритетными, при этом экологичность ОГ производители уже закладывают в конструкцию автотранспортных средств на стадии проектирования, причем она не должна ухудшаться при их эксплуатации. Следовательно, несложно предположить, что будущее за экологически чистыми автомобилями, работающими на видах топлива, альтернативных нефтяному [1, 2].
Все более широкое распространение получают альтернативные виды биотоплива на основе спиртов и растительных масел (рапсовое, подсолнечное, соевое, арахисовое, пальмовое), а также их производных. Интенсивные работы по переводу автотранспорта на биотопливо ведутся как в странах с ограниченным энергетическим потенциалом, так и в странах с большими запасами нефти, а также имеющих финансовую возможность приобретения различных альтернативных видов топлива [1, 3].
Научные разработки и исследования
к\\\\\\\\\\\\ч
Наиболее исследованными и перспективными на сегодняшний день для применения в автотранспорте являются одноатомные первичные спирты, такие как метанол (СН3ОН). Среди положительных свойств метанола для применения 62 в дизелях можно отметить наличие в его молекуле атома кислорода, что дает воз-
можность использовать метанол в качестве оксигенатов (кислородсодержащие компоненты), способствующих снижению вредных выбросов сажи и СО в продуктах сгорания [4].
Метанол широко используется в химической промышленности, и немалые его объемы применяются в производстве топлив для автотранспорта. Использование этого спирта в качестве альтернативного биотоплива для автотранспорта стало возможным в результате его получения доступным способом из сельскохозяйственных и пищевых отходов, из газообразного топлива. Но более важная причина применения метанола - это снижение выбросов токсичных компонентов с ОГ автотранспорта (рис. 1) [5].
При использовании метанола как топлива для дизелей можно значительно снизить выбросы сажевых частиц и оксидов азота. Это происходит вследствие того, что при горении спирта в камере сгорания дизеля образуется в сравнении с дизельным топливом (ДТ) меньше промежуточных продуктов, способствующих зарождению ацетиленовых и ароматических углеводородов, которые и приводят к образованию сажи. Кроме того, в ОГ при сгорании метанола значительно меньше различных соединений серы. Метиловый спирт со своей более простой структурой и незначительными размерами молекул является одним из определяющих факторов более «чистого сгорания» топлива [5, 6].
Из всех существующих альтернативных видов топлива достаточно перспективными являются биотоплива и их смеси с ДТ в разных пропорциях (растительно-минеральные смеси), а сельскохозяйственные предприятия, потребляющие в качестве топлива главным образом нефтепродукты, в настоящее время вполне способны производить как для городского автотранспорта, так и для своей техники экологически чистое возобновляемое биотопливо [1, 7].
Рис. 1. Относительное содержание вредных веществ в ОГ автотранспорта, работающего на дизельном топливе и метаноле, % (за 100 % принято дизельное топливо по саже) [5]
Рис. 2. Процесс метанолиза рапсового масла [5]
Произведенные расчеты [5] показывают, что энергозатраты на получение рапсовых семян составляют 17700 МДж/кг, на получение масла - 700 МДж/кг, при этом энергия, получаемая от масла, составляет 22200 МДж/кг. В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что энергетическая прибыль с одного гектара посева рапса составляет 3800 МДж (что соответствует 110 л нефтяного дизельного топлива по своей энергетической ценности) [5].
Растительное масло любого вида - это смесь триглицеридов, то есть эфиров, соединенных с молекулой глицерина. Глицерин, в свою очередь, и придает вязкость и плотность растительному маслу. Таким образом, основной задачей при получении биотоплива является удаление глицерина путем замещения его спиртом. На данный момент альтернативные виды топлива из рапсового масла находят применение в натуральном виде, а также в виде метилового и диметилового эфиров рапсового масла [8].
На рис. 2 представлен процесс метанолиза рапсового масла. Производство МЭРМ из масла заключается в следующем: предварительно очищают рапсовое масло, затем добавляют метиловый спирт. Катализатором для данной реакции служит щелочь. Затем смесь нагревают до 50 °С, отстаивают и охлаждают. Жидкость расслаивается на две фракции - легкую и тяжелую. Легкая представляет собой метиловый эфир (или биотопливо), а тяжелая - глицерин [9].
Метиловый эфир рапсового масла можно охарактеризовать более низким уровнем коксования деталей дизелей, чем у этилового эфира рапсового масла, из-за более низкой вязкости и молекулярной массы. К тому же метиловые эфи-ры лучше сохраняются. К преимуществам этиловых эфиров можно отнести снижение дымности и температуры ОГ и меньшую агрессивность к деталям двигателя. В дальнейшем процессе производства этиловые эфиры менее вредны, но при очистке биотоплива с целью удаления излишков спирта возникают некоторые сложности, поскольку этиловый спирт формирует устойчивую водную эмульсию.
Научные разработки и исследования
к\\\\\\\\\\\\
\
64
В связи с этим из-за более низкой себестоимости метанола производство МЭРМ рентабельнее. Поэтому МЭРМ как альтернативное экологичное биотопливо приобретает наибольшую популярность в странах Европы [10].
По сравнению с другими альтернативными топливами стоимость метанола невысока, а одним из его недостатков является большая теплота испарения при низкой температуре кипения (1104 кДж/кг против 250 кДж/кг у штатного дизельного топлива). Это приводит к охлаждению воздушного заряда вследствие испарения спирта при низких цетановых числах и высоких температурах самовоспламенения, что в итоге является причиной плохого воспламенения в камере сгорания дизеля. Поэтому воспламенение метанола в таких условиях возможно с помощью дополнительно установленных источников воспламенения, подачи его на впуске или использования различных катализаторов, которые способствуют снижению температуры воспламенения метанола, а также ускоряют процесс реакций горения. К еще одному эффективному способу воспламенения метанола в камере сгорания дизеля можно отнести подачу запальной порции штатного дизельного топлива в камеру сгорания. С целью улучшения воспламенения спиртов используют двойные системы топливоподачи, которые одновременно с подачей спирта (основное биотопливо) осуществляют и подачу запальной порции ДТ [11].
Требуемые физико-химические свойства альтернативного биотоплива обусловливают применение соответствующих технологий, способных обеспечить эксплуатационные, экономические и экологические показатели. При производстве биотоплива применяют различные виды растительных масел, таких как рапсовое, льняное, подсолнечное, пальмовое и др. При этом полученное биотопливо из разных растительных масел имеет ряд отличительных физико-химических признаков. К таким признакам относятся: низшая теплота сгорания, вязкость, плотность, фильтруемость, температура застывания, коксуемость, цетановое число и др. (табл. 1) [5].
Представленные в табл. 1 данные наглядно демонстрируют схожесть параметров биотоплива с ДТ по плотности и расхождение по кинематической вязкости, низшей теплоте сгорания и цетановому числу. Естественно, все это говорит о том, что в чистом виде один вид биотоплива сложно применим в дизеле, поэтому и было принято решение о применении биотоплива в формате МТЭ и МЭРМ в сочетании с метанолом, что позволяет приблизить значения физико-химических свойств биотоплива к штатному дизельному топливу [5, 12].
Таблица 1
Физико-химические характеристики биотоплива и дизельного топлива [5]
Параметр Метанол Рапсовое масло МЭРМ ДТ
Плотность при 20 °С, кг/м3 795 877 860...900 863
Кинематическая вязкость при 20 °С, мм2/с 0,55 80 12 3,0.6,0
Низшая теплота сгорания, МДж/м3 19,7 36,7 37,2 42,5
Цетановое число 3 44 51 45
Целью данной работы является применение экологичных видов биотоплива в дизелях для улучшения их экологических показателей и экономии нефтяного моторного топлива.
Для проведения исследований создана экспериментальная база в научно -исследовательской лаборатории испытания дизелей кафедры тепловых двигателей, автомобилей и тракторов Вятской государственной сельскохозяйственной академии. Экспериментальная база включает электротормозной стенд 8АК^670 с балансирным маятниковым механизмом, устанавливаемые на него дизели, измерительную аппаратуру.
Приготовление эмульсий осуществлялось гомогенизатором МР'^302 при частоте вращения вала 2000 мин1. Отбор проб отработавших газов производился газозаборниками автоматической системы газового анализа (АСГА-Т), установленными в выпускном трубопроводе дизеля. Дымность отработавших газов измерялась с помощью дымомера BOSCH-EFAW-68A.
При работе на метаноле и МЭРМ дизель оборудовался двойной системой топливоподачи. При этом воспламенение метанола осуществлялось за счет подачи запальной порции МЭРМ. Такая схема топливоподачи полностью исключает необходимость использования нефтяного ДТ. Запуск и прогрев автотранспортного дизеля происходил на МЭРМ, вслед за этим осуществлялась подача метанола, а подача МЭРМ снижалась до начала пропусков воспламенения. Затем для достижения устойчивой работы двигателя ее увеличивали. Таким образом, при использовании метанола и МЭРМ с двойной системой топливоподачи достигалось полное замещение нефтяного дизельного топлива [5, 13].
При испытаниях дизеля на спиртовой эмульсии использовался следующий состав: метанол - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 %. Также для дизеля было разработано экологичное биотопливо, состоящее из метанола (88 %) и МЭРМ (12 %) [5, 14].
На рис. 3 представлены зависимости от нагрузки экологических показателей дизеля, работающего на МТЭ при номинальном скоростном режиме (п = 2200 мин1). При анализе графиков токсичности и дымности ОГ дизеля при работе на МТЭ видно, что происходит снижение содержания во всем диапазоне исследования нагрузки N0^ сажи С и С02, при этом содержание СО снижается только при максимальных значениях эффективной нагрузки ре, а СН растет.
Результаты исследований экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 представлены в табл. 2.
Рис. 3. Изменение экологических показателей работы дизеля 4Ч 11,0/12,5 в зависимости от изменения нагрузки (ре):
- ДП; ------ МТЭ
Научные разработки и исследования
KWWWWWW
\
Таблица 2
Результаты исследований экологических показателей дизеля 4Ч 11,0/12,5 на номинальном режиме работы (п = 2200 мин1, ре = 0,64 МПа)
Топливо Показатели
NOx, ppm С, Bosch CO2, % CO, %
Дизельное 1320 6,2 10,5 0,20
МТЭ 775 (снижение на 41,3 %) 0,9 (снижение на 85,5 %) 9,8 (снижение на 6,7 %) 0,11 (снижение на 45,0 %)
Таблица 3
Результаты исследований экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 на номинальном режиме работы (п = 1800 мин1, ре = 0,59 МПа)
Топливо Показатели
NO* PPm С, Bosch CO, %
Дизельное 760 5,0 0,29
Метанол 88 %, МЭРМ 12 % 400 (снижение на 47,4 %) 0,48 (снижение на 90,4 %) 0,16 (снижение на 44,8 %)
Рис. 4. Изменение экологических показателей работы дизеля 2Ч 10,5/12,0 в зависимости от изменения нагрузки (ре):
--ДП;
------метанол и МЭРМ
На рис. 4 представлены зависимости от нагрузки экологических показателей дизеля, работающего на метаноле и МЭРМ с двойной системой топли-воподачи при номинальном скоростном режиме (п = 1800 мин1).
При анализе графиков токсичности и дымности ОГ дизеля при работе на метаноле с МЭРМ видно, что происходит снижение содержания ЫОх во всем диапазоне исследования нагрузки (кроме максимального значения ре=0,69 МПа) и сажи С. Применение метанола и МЭРМ приводит к снижению оксида углерода СО при нагрузке, превышающей 0,47 МПа, и суммарных углеводородов СН на максимальных нагрузках при ре>0,60 МПа, при этом отмечен незначительный рост диоксида углерода СО2 во всем диапазоне исследования ре.
Результаты исследований экологических показателей дизеля 2Ч 10,5/12,0 приведены в табл. 3.
Выводы
Предложено перспективное решение для улучшения экологических
показателей дизелей, работающих на биотопливе следующих составов:
• МТЭ: метанол - 25 %, моюще-диспергирующая присадка сукцинимид С-5А - 0,5 %, вода - 7 %, дизельное топливо - 67,5 %;
• метанол - 88 %, МЭРМ - 12 %. 67 При работе дизеля на МТЭ происходит снижение содержания в ОГ - оксидов азота на 41,3 %, сажи на 85,5 %, диоксида углерода на 6,7 %, оксида углерода
на 45,0 %; при работе на метаноле и МЭРМ - оксидов азота на 47,4 %, сажи на 90,4 %, оксида углерода на 44,8 %.
_Использованные источники
1. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях: монография / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов, А.В. Шахов, В.В. Багров. - М.: ООО НИЦ «Инженер» (Союз НИО), ООО «Онико-М», 2011. - 536 с.
2. Jeevahan J., Mageshwaran G., Joseph G.B., Raj R.B.D., Kannan R.T. Various strategies for reducing NOx emissions of Biodiesel Fuel used in conventional Diesel engines: a review // Chemical Engineering Communications. - 2017. - V. 204. - № 10. - P. 1202-1223.
3. Pradelle F., Braga S.L., de Aguiar Martins A.R.F., Turkovics F., Pradelle R.N.C. Stabilization of Diesel-biodiesel-ethanol (DBE) blends: formulation of an additive from renewable sources // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. - 2017. - V. 39. - № 9.
- P. 3277-3293.
4. Sales E.A., Ghirardi M.L., Jorquera O. Subcritical ethylic Biodiesel production from wet animal fat and vegetable oils: a net Energy ratio analysis // Energy Conversion and Management.
- 2017. - V.141. - P. 216-223.
5. Лиханов В.А., Копчиков В.Н., Фоминых А.В. Применение метанола и метилового эфира рапсового масла для работы дизеля 2Ч 10,5/12,0. - Киров: Вятская ГСХА, 2017. -226 с.
6. Imdadul H.K., Zulkifli N.W.M., Masjuki H.H., Kalam M.A., Rashed M.M., Rashedul H.K., Alwi A., Kamruzzaman M. Experimental assessment of non-edible candlenut Biodiesel and its blend characteristics as diesel engine Fuel // Environmental Science and Pollution Research. -2017. - V. 24. - № 3. - P. 2350-2363.
7. Aldhaidhawi M., Chiriac R., Badescu V. Ignition delay, Combustion and emission characteristics of Diesel engine fueled with rapeseed Biodiesel - a literature review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2017. - V.73. - P. 178-186.
8. Kumar N. Oxidative stability of Biodiesel: causes, effects and prevention // Fuel. - 2017. -V.190. - P. 328-350.
9. Tran D.-T., Chang J.-S., Lee D.-J. Recent insights into continuous-flow Biodiesel production via catalytic and non-catalytic transesterification processes // Applied Energy. - 2017. - V.185. -P. 376-409.
10. Liu J., Nan Y., Tavlarides L.L. Continuous production of Ethanol-based Biodiesel under subcritical conditions employing trace amount of homogeneous catalysts // Fuel. - 2017. - V.193.
- P. 187-196.
11. Bogatishcheva N.S., Faizullin M.Z., Nikitin E.D. Heat capacities and thermal diffusivities of n-alkane acid ethyl esters-biodiesel Fuel components // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 2017. - V. 91. - № 9. - P. 1647-1653.
12. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Use of Natural Gas, Methanol, and Ethanol Fuel Emulsions as Environmentally Friendly Energy Carriers for Mobile Heat Power Plants // Thermal Engineering.
- 2017. - V.64. - № 12. - P. 935-944.
13. Likhanov V.A., Lopatin O.P. The Study of the Process of Combustion of the Alcohol-Fuel Emulsions and Natural Gas in a Diesel Engine // International Journal of Applied Engineering Research. - 2018. - V.13. - № 3. - P. 1703-1709.
14. Likhanov V.A., Lopatin O.P. Study of Loading Regimes of Diesel Engines Operating on Natural Gas // International Journal of Applied Engineering Research. - 2018. - V.13. - № 5. -P. 2936-2939.
