CC BY
55
УДК 502.7
ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТРАНСПОРТОМ
Валерий Павлович Зайцев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор химических наук, профессор кафедры экологии и природопользования, тел. (383)361-08-86, e-mail: kaf.ecolog@ssga.ru
Оксана Вячеславна Рослякова
Сибирский государственный университет водного транспорта, 630099, Россия, г. Новосибирск, ул. Щетинкина, 33, кандидат технических наук, доцент кафедры техносферной безопасности, тел. (383)201-49-96, e-mail: kzvchs@nsawt.ru
В работе представлены экспериментальные результаты о влиянии воды в топливных системах - в виде водотопливной эмульсии и в растворенном состоянии в дизельном топливе.
Ключевые слова: водотопливная эмульсия, оксиды азота, окись углерода,соль четвертичного аммониевого основания, неводные растворы, дизельное топливо.
PREVENTING ENVIRONMENTAL POLLUTION FROM TRANSPORTATION
Valerij P. Zaicev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor of Department of ecology and nature management, tel. (383)361-08-86, e-mail: kaf.ecolog@ssga.ru
Oksana V. Roslyakova
Siberian State University of Water Transport, 630099, Russia, Novosibirsk, 33 Schetinkina St., Ph. D., assistant professor of Department of technosphere safety, tel. (383)201-49-96, e-mail: kzvchs@nsawt.ru
Thos works presents experimental results of influence of water in heating systems - in a form of water-fuel emulsion and in the form of solution in diesel fuel.
Key words: water-fuel emulsion, nitrogen oxides, carbon oxide, quaternary ammonium salt, non-aqueous solutions, diesel fuel.
Практически весь современный транспорт в качестве топлива использует продукты переработки нефти, следовательно, по качественному составу выбросов он будет оказывать однотипное воздействие на природные комплексы. В совокупности все виды транспорта потребляют атмосферный кислород, участвуют в пополнении объема токсичных газов: оксидов углерода, азота и полициклических ароматических углеводородов. Существенное влияние на снижение выбросов в атмосферу оказывает вода в топливных системах [1, 2].
Были проведены исследования влияния воды в топливных системах на выбросы одного из самых токсичных компонентов выхлопных газов дизелей - оксидов азота (NOx). Указанные исследования имеют большое значение для судов
речного флота. На основании экспериментальных результатов, проводимых на двигателе 1Ч15/18 установлена одна из причин снижения интенсивности образования оксидов азота при переводе работы дизеля с мазута на водотопливную эмульсию (ВТЭ). Она определяется тем, что при использовании эмульсии существенно сокращается объем активной зоны камеры сгорания (КС), где возможно образование NOx. Эти зоны характерны тем, что в них имеют место высокие значения концентраций кислорода и температур рабочего тела [1].
120 100 80 г* во
|о 40
2 20 0
С\АЛ %
Рис. 1. Зависимость снижения выбросов N0 х оксидов азота от концентрации С воды во ВТЭ
По результатам экспериментов можно отметить, что с увеличением содержания воды во ВТЭ выбросы оксидов азота существенно сокращаются на всех режимах работы двигателя. На рис. 1 в качестве примера, представлена за- N0
висимость величины N0 =-- ■ 100, от концентрации воды во ВТЭ для
х0
двигателя 1Ч15/18. Здесь обозначено: NOx, КОх0, текущая концентрация оксидов азота и та же величина при = 0. Опыты проводились на номинальном режиме. Содержание оксидов азота в отработанных газах определяли при помощи газоанализатора ПЭМ-2М. Из рис. 1 следует, что в данных условиях величина N0 х с ростом практически линейно снижается.
Рис. 2 иллюстрирует влияние присадки воды на удельный эффективный расход топлива. Из рисунка следует, что при номинальной величине = 20 % наблюдается снижение расхода топлива примерно на 10 %.
Таким образом, можно констатировать, что применение ВТЭ в двигателе 1Ч15/18 ведет к существенному снижению выбросов NOx и повышению экономичности дизеля по расходу топлива.
В данной области было проведено еще две серии экспериментов: с присадкой к водной фазе ВТЭ мочевины; с присадкой к воде аммиака.
Рис. 2. Зависимость удельного эффективного расхода топлива от содержания воды во ВТЭ
Эксперимент был проведен на ВТЭ, приготовленной на основе водного раствора мочевины. Эмульсию получали на стенде. Состав данной эмульсии был следующий: 80 % - дизельное топливо, 19 % - водный раствор мочевины, 1 % - нефти (использовали для стабильности эмульсии). Концентрация мочевины в воде составляла 10 % по массе.
Опыты проводились на двигателе 1Ч15/18 по нагрузочной характеристике. Результаты испытаний приведены на рис. 3.
Рис. 3. Влияние присадки мочевины на концентрацию оксидов азота: 1 - работа на чистом дизельном топливе; 2 - работа на 20 % ВТЭ; 3 - 20 % ВТЭ
с мочевинои
Из рис. 3 следует, что переход с чистого дизельного топлива на ВТЭ несколько уменьшает выбросы оксидов азота. При использовании мочевины, присаживаемой к водной фазе ВТЭ, на долевых нагрузках (Ре < 50 % от Рен, где Рен - номинальная нагрузка) имеет место заметное снижение выбросов N0. Наоборот, при Ре > 50 % выбросы оксидов азота возрастают. Это говорит о том, что данный метод приемлем лишь для вспомогательных дизелей, которые большую часть времени работают на долевых нагрузках.
Удельные эффективные расходы топлива в процессе исследования на номинальном режиме работы дизеля оказались следующими:
- на чистом дизельном топливе - Ьс = 255 г/э.л.с.ч;
- на ВТЭ с = 20 % - Ьс = 237 г/э.л.с.ч;
- на ВТЭ с = 20 % с присадкой мочевины - Ьс = 233 г/э.л.с.ч;
Таким образом, можно констатировать, что применение водотопливных эмульсий при работе дизеля ведет к существенному снижению выбросов N0^ и повышению экономичности дизеля по расходу топлива. Экспериментально установлено, что добавка к водной фазе ВТЭ (с = 20 %) мочевины заметно уменьшает выбросы оксидов азота на долевых нагрузках (по нагрузочной характеристике) по сравнению со случаем использования аналогичной чистой эмульсии. Наоборот, при мощности более 50 % от номинала экологические показатели дизеля ухудшаются по сравнению с исходным вариантом. Учитывая сказанное, данный метод можно рекомендовать для вспомогательных дизелей, которые, как правило, работают на долевых нагрузках. Добавка к водной фазе ВТЭ аммиака сокращает как выбросы азота, так и расход топлива. Для обеспечения безопасной работы обслуживающего персонала система приготовления такой ВТЭ должна быть закрытой.
Исследование состояния воды в неводных растворах, в частности в топливе расширяет границы эффективного использования водотопливных смесей, которые могут существовать не только в эмульсионном состоянии, но и в ми-целлярном состоянии и в виде истинных растворов. Эффективность сгорания топлива в двигателе зависит от наличия в топливе добавок и присадок. Для повышения детонационной стойкости товарных бензинов применяют антидетонаторы на основе алкилзамещенных аминов. За рубежом широкое применение нашли ароматические амины - производные анилина (C6H5NH2). Долгое время для оценки антидетнационной стойкости бензинов служил эталоном «анилиновый эквивалент» [3]. Таким образом, исследование состояния систем содержащих амины, соли аминов и четвертичных аммониевых оснований (ЧАО), представляют научный и практический интерес, поскольку открывают возможности целенаправленного выбора состава топливных смесей, которые удовлетворяли бы техническим и экологическим требованиям.
В качестве объекта исследования были выбраны соли ЧАО. Указанные соли, по сравнению с солями аминов, значительно соэкстрагируют воду в органическую фазу в результате их гидратации [4]. Исследование солей ЧАО в неводных растворах показали увеличение растворимости воды в органической фазе в ряду анионов
I- < SCN- < Шэ- < Br- < а- < HSO4- < F- <SO42- < Ш32-. (1)
Из проведенных исследований следует, что наибольший интерес представляет соль триалкилбензиламмонийкарбонат (ТАБАК), где радикал алкил равен С7 - С9.. Соль, согласно ряда анионов (1), является высокогидратируемой, при
термическом разложении аниона СО32- в отличие от других ионов, не вносит в состав выхлопных газов новых примесей и не образует угарный газ СО.
Соль ТАБАК получена путем анионообменных межфазных реакций из товарной соли триалкилбензиламмонийхлорид растворенной в дизельном топливе. Насыщение топлива водой проводили посредством смешения фаз при соотношении Уорг : Ув = 1000 : 100. После расслаивания фаз, водную фазу удаляли. Испытания модифицированного топлива приводились на отсеке дизеля Ч10,5/12 по нагрузочной характеристики при частоте вращения коленчатого вала равном 1500 об/мин.
В результате испытаний было установлено, что присутствие соли ТАБАК и растворенной воды в модифицированном дизельном топливе приводит к снижению токсичных компонентов выхлопных газов - по окиси углерода до 40 %, по окислам азота до 28 %.
Механизм действия солей ЧАО и воды, содержащихся в топливе, еще не изучен. Можно предположить, что процесс сгорания топлива протекает в две стадии
4Сх Н у + (2 х + у) 02 = 4 хС0 + 2 уН20; (2)
2С0 + 02 = С02. (3)
Присутствие воды в топливе способствует протеканию реакции (3). На этой реакции основано использование окиси углерода в качестве топлива [5], что в конечном итоге существенно снижает участие кислорода в окислении азота.
Таким образом, модификация дизельного топлива посредством добавления в него воды заметно улучшает экологические характеристики дизеля без его модификации и регулировок, что указывает на перспективность исследования топливных систем насыщенных водой и водотопливных эмульсий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Рослякова О. В. Снижение интенсивности образования оксидов азота в судовых дизелях : автореф. дис. ... к.т.н. - Новосибирск, 2005. - 17 с.
2. Перспективы использования солей четвертичных аммониевых оснований для улучшения экологических характеристик двигателя внутреннего сгорания / В. П. Зайцев, Г. С. Юр, Н. В. Усова, Д. А. Сибриков, А. В. Карабанцев, М. Н. Карпушин // Труды 3-й Меж-дун. науч.-техн. конф. «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт. - Омск : Иртышский филиал ФГОУ ВПО «НГАВТ», 2007. - С. 261-262.
3. Сафронов А. С., Ушаков А. И., Чечкенев И. В. Автомобильные топлива / НПИКЦ. -СПб., 2002. - 263 с.
4. Зайцев В. П., Усова Н. В. Исследование состояния воды в неводных растворах солей четвертичных аммониевых оснований применительно к топливным системам // Науч. пробл. трансп. Сибири и Дальнего Востока. - 2005. - № 1-2. - С. 109-113.
5. Неницеску К. Общая химия - М. : Мир., 1968. - 816 с.
© В. П. Зайцев, О. В. Рослякова, 2017
