CC BY
15УДК 621.436.068
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ АНТИДЫМНЫХ ПРИСАДОК В ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО
А.А. Мельберт, А.А. Новоселов, К.С. Боков
Описаны характеристики барийсодержащих антидымных присадок ЭФАП-Б, Ангарад-2401, Lubrizol-8288 для двигателей внутреннего сгорания работающих на дизельном топливе.
Ключевые слова: антидымные присадки, барий, дизельное топливо, отработавшие газы, сажеобразование.
Сгорание в дизельных двигателях стандартных топлив сопровождается выбросом в атмосферу до 16 кг/т сажи и до 6 кг/т топлива оксидов серы, т. е. в сумме - до
(СО2, Н2О, SО2) и токсичные продукты неполного сгорания топлива (СО, SО2, ЫОх, углеводороды, сажу и др.), которые вызывают дымление, саже-, нагаро- и коксообразование на горячих поверхностях двигателя
Причина возникновения этих явлений -образование твердых частиц в зоне горения из-за неполного окисления в камере сгорания компонентов топлива и смазочного масла [1, 2].
В состав твердых частиц отработавших газов входят неокисленные элементы из топлив и масел [%(мас.)]: С - 74, Н - 1,5, S- 3, N <1-20. Средний размер твердых частиц составляет 0,2-0,6 мкм. На поверхности частиц сажи адсорбируются канцерогенные продукты (бенз(а)пирен и др.).
Твердые частицы образуются в процессе сгорания топлива и масла по реакции:
СХНУ + п02 ^ 2пС02 + 0,5уН2 + (х-2п) С
(недостаток воздуха или избыток углеводородов, т.е. х> 2п^.
Механизм образования сажи, кокса при горении дизельных топлив до конца не изучен.
Химический состав топлива оказывает сильное влияние на выделение сажи и образование кокса. Примеси серо-, кислородсодержащих соединений
увеличивают, а азотсодержащих - снижают интенсивность дымо-, саже- и коксообоазования.
Сильное влияние на сажеобразование оказывают металлсодержащие соединения (присадки). Мп, Ва, щелочные и щелочноземельные металлы катализируют процессы окисления, уменьшают коагуляцию
22 тыс. т токсичных продуктов на каждый 1 млн. т использованного топлива.
Отработавшие газы дизелей содержат продукты полного
твердых частиц, благодаря чему снижается скорость образования сажи и кокса при горении дизельных топлив. Предполагают, что щелочноземельные металлы
диспергируют частицы сажи, а соединения переходных металлов, окисляясь и раскисляясь, переносят кислород с первых стадий горения (с избытком кислорода) на последующие стадии (с недостатком кислорода) [5].
В России были допущены к применению в дизельных топливах антидымные барийсодержащие присадки: ЭФАП-Б, Ангарад-2401, Lubrizol-8288и некоторые другие.
В настоящее время эти присадки практически не вырабатываются, хотя производство ЭФАП-Б освоено в ООО "ЛУКОЙЛ-Волгограднефтепереработка".
ЭФАП-Б (ТУ 0257-002-40439881-97) -композиция алкилфенолята бария (65%), диспергирующего компонента (5%) и растворителя (30%), подобранного таким образом, чтобы обеспечить низкую температуру застывания присадки и невысокую вязкость. При производстве присадки стадия карбонатации не предусмотрена.
Снижение дымности ОГ двигателя КАМАЗ-740 при стендовых испытаниях (НАМИ-ХИМ) при введении в топливо Л 0,1% присадки составляло 17-33% (отн.). Результаты, получаемые в условиях эксплуатации, от этих показателей могут сильно отличаться, поскольку они находятся в большой зависимости от состояния автомобиля, типа двигателя, условий его работы.
Присадка ЭФАП-Б, а также ее аналоги, содержащие в своем составе диспергирующие компоненты, проявляют небольшое моющее действие на форсунках. Образования «бороды» сульфата бария на распылителе форсунки при этом не отмечено.
Анализ ОГ двигателя, работавшего на топливе с присадкой, проведен Институтом медицины труда при стендовых испытаниях двигателя КАМАЗ-740 в ЗАО "НАМИ-ХИМ". Отмечено, что присадка практически не влияет на эмиссию оксидов азота, примерно в два раза уменьшает концентрацию углеводородов в отработавших газах и в 1,52,5 раза - бенз(а)пирена. Выбросы альдегидов зависели от режима работы двигателя и при работе на холостом ходу и полной нагрузке были выше, чем при работе без присадки. Что касается оксидов серы, то при работе на топливе с присадкой их количество уменьшалось. Механизм этого явления не совсем ясен, так как стехиометрические расчеты показывают, что вводимого количества бария для связывания серы в сульфат недостаточно.
Исследована совместимость присадки ЭФАП-Б с депрессорами. Установлено, что в смеси эффективность присадок и того, и другого типа не снижается. Зато их влияние на физико-химические характеристики топлива неоднозначно. Подобные эффекты и в России, и за рубежом исследованы недостаточно.
АНГАРАД-2401 (ТУ 38.401-58-158-96) -смесь ЭКО-1 и ФК-4. Учитывая, что ЭКО-1 -это композиция алкилфенолята бария и основания Манниха, состав присадки АНГАРАД-2401 может быть представлен следующим образом: алкилфеноляты бария -50-90%, основание Манниха - 10-50%, ФК-4 -0,1-5,0%.
Присадка Ангарад-2401 допущена к применению в концентрации до 0,3% в топливах, вырабатываемых НПЗ в Ачинске и Ангарске. По данным стендовых испытаний, введение 0,3% присадки в дизельное топливо снижает дымность ОГ примерно вдвое.
Lubrizol-8288-комозицияалкилфенолята бария с азотосодержащей диспергирующей добавкой (смесь Lubrizol-565 и Lubrizol-8080 в соотношении 10:4). При испытаниях дизельного топлива с 0,1 % присадки Lubrizol-8288 на одноцилиндровой установке КамАЗ-740 дымность ОГ снижалась в среднем на 23 %, а максимально на 30 %.
Эффективность антидымных присадок зависит от типа двигателя и режима его работы. При стендовых испытаниях она составляет 30-70% (отн.), а в условиях эксплуатации может быть гораздо выше. При испытаниях присадок, содержащих барий, на двигателях с предварительным
смесеобразованием был получен больший эффект, чем на двигателях с прямым впрыском [3, 4].
Влияние режима работы двигателя на эффективность присадки отмечено многими исследователями. Общепринятым является мнение о том, что антидымные присадки малоэффективны при слишком низких и при высоких нагрузках. Однако это справедливо только для двигателей с непосредственным впрыском, а на двигателях с предварительной подготовкой рабочей смеси эффективность присадок может быть одинаковой на всех режимах.
При этом, если рассматривать влияние присадок на уменьшение сажесодержания в абсолютных единицах, можно
констатировать, что в действительности эффективность присадок не снижается -просто их действие не поспевает за ростом сажеобразования. В связи с тем, что действие антидымных присадок на двигателях с предварительным
смесеобразованием исследовано очень мало, требуются дополнительные испытания [2, 5].
Соединения бария, растворимые в воде, ядовиты, поэтому токсикология
барийсодержащих антидымных присадок является предметом пристального внимания. Согласно токсикологическим исследованиям, все присадки отечественного ассортимента относятся к умеренно токсичным веществам III класса опасности по ГОСТ 12.1.007-76. Определенную опасность представляют продукты сгорания соединений бария. Подробно они исследованы на примере присадки ЭФАП-Б при испытаниях на двигателе КАМАЗ-740 в ЗАО «НАМИ-ХИМ» совместно с Институтом медицины труда (ИМТ) РАМН.
Установлено, что при сгорании топлива с присадкой образуются сульфаты и карбонаты бария, а также карбоновые кислоты, количество которых на форсированных режимах работы двигателя составляло соответственно 3,0-3,3; 2,7-3,1 и до 37,5 мг/м3. В литературе также можно найти указания, что сульфаты и карбонаты бария при использовании барийсодержащих
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ АНТИДЫМНЫХ ПРИСАДОК В
ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО
присадок в топливах с содержанием серы 0,1 - 0,2% образуются примерно поровну. Сульфат бария абсолютно нерастворим в воде и ядовитым не считается. Карбонат бария токсичен. ПДК его аэрозоля в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м3, среднесуточная - 0,004 мг/м3. Таким образом, концентрация карбоната бария в ОГ в несколько раз превышает ПДК, но, учитывая многократное разбавление продуктов сгорания воздухом, можно полагать, что они опасности для человека не представляют. На основании результатов всесторонних исследований бариевые присадки, в частности ЭФАП-Б, рекомендованы ИМТ РАМН к промышленному применению.
Барийсодержашие присадки проявляют биоцидную активность.
Как сообщает фирма Lubrizol в одном из своих проспектов, в результате длительных дорожных испытаний топлива с присадкой Lubrizol-565 (ее аналогами являются перечисленные выше отечественные присадки) установлено, что бариевые присадки значительно увеличивают срок службы каталитических нейтрализаторов.
Несмотря на то, что антидымный эффект находится в прямой зависимости от содержания металла в топливе, рекомендуемые концентрации присадок ограничены. Их повышенная зольность приводит к образованию отложений в камере сгорания, а иногда - к ускоренному износу деталей двигателя и топливной аппаратуры. На распылителях форсунок возможно
образование "бороды" сульфата бария, нарушающей оптимальную геометрию впрыскиваемой струи. Кроме того, продукты сгорания присадок выбрасываются в атмосферу в виде твердых частиц. На практике этот недостаток компенсируется снижением образования сажи, которая тоже представляет собой твердые частицы, причем более опасные, чем неорганическая зола.
Введение антидымных присадок в концентрации 0,1% увеличивает стоимость топлива на 1-2%. Теоретически это должно окупаться улучшением сгорания топлива и соответственно уменьшением потерь тепла. Полагают, что тепло теряется в результате механического недожога, неполного сгорания сажи на стадии расширения, а также за счет конвекции и излучения сажевых частиц. Подсчитано, что полное устранение сажеобразования может обеспечить повышение индикаторного КПД на 9%. Однако на практике этот эффект трудно достижим и плохо поддается расчету. Поэтому считают, что главная польза от антидымных присадок заключается в улучшении экологической ситуации: снижении заболеваемости, повышении производительности труда и т.д. Экономия от снижения экологического ущерба за счет введения присадки в три раза превышает затраты на ее применение [3, 4]. Данные об антидымных присадках представлены в таблице 1.
Характеристики антидымных присадок Антидымные присадки в топливо
ЭФАП-Б Ангарад-2401 Lubrizol-8288
Нормативный документ ТУ 0257-002-40439881-97 ТУ 38. 401-58-158-96 -
Технические и физико-химические характеристики Однородная жидкость темно-коричневого цвета - -
Рекомендованная концентрация в топливе 0,1 % до 0,3 % 0,1 %
Химический состав Композиция алкилфенолятов бария (65 %), диспергирующего компонента (5%) и растворителя (30%) Композиция (смесь ЭКО-1 и ФК-4) алкилфенолята бария (50-90 %), диспергирующей присадки Днепрол (10-50 %), ФК-4 (0,1-5 %) Композиция алкилфенолята бария с азотосодержащей диспергирующей добавкой (смесь Lubrizol-565 и Lubrizol-8080 в соотношении 10:4)
Вязкость кинематическая не более 30 мм2/с (при 50 °С) не более 20 мм2/с (при 100 °С) 12,33 мм2/с (при 100 °С)
Зольность 12-20 % 15-18 % (сульфатная) -
Таблица 1- Данные об антидымных присадках в топливо дизелей
Плотность около 1060 кг/м3 (фактическая) - 1154 кг/м3 (при 15 °С)
Т вспышки не ниже 70 °С (закрытый тигель) - 95 °С
Тзастывания не выше -30 °С - -12 °С
Щелочное число - 80-90 мгКОН/г -
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Альхассанат Раед. Присадки для повышения полноты сгорания дизельных топлив / Альхассанат Раед // Совершенствование систем автомобилей тракторов и агрегатов: сборник статей / Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - С. 58-60.
2. Вредные выбросы дизелей, пути их снижения / А.Л. Новоселов, С.В. Новоселов, А.А. Мельберт, А.В. Унгефук // Совершенствование машин, дизелей и теплоэнергетических установок: сб. науч. тр. / под ред. Н.А. Иващенко [и др.]. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000. - С. 148-158.
3. Данилов, А. М. Применение присадок
в топливах / А. М. Данилов. - СПб.: Химиздат,
2010. - 368 с.
4. Капустин, В.М. Нефтяные и альтернативные топлива с присадками и добавками / В.М. Капустин. - М.: КолосС, 2008. -232 с.
5. Новоселов, А.А. Влияние подачи антидымной присадки в цилиндры регулируемой системой со смесителем перед форсункой на уровни вредных выбросов дизеля 8Ч 12/12 / А.А. Новоселов, В.В. Деркачев, К.С. Боков //
Повышение экологической безопасности автотракторной техники: сб. статей / под ред. А.Л. Новоселова; Российская академия транспорта, АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - Ч. 1. - С. 61-66.
Мельберт Алла Александровна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой «Безопасность жизнедеятельности», ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул, 8-905-985-76-03.
Новоселов Алексей Александрович, к.т.н., докторант кафедры «Двигатели внутреннего сгорания», ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул.
Боков Константин Сергеевич, к.т.н., старший преподаватель кафедры «Организация и безопасность движения», ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», г. Барнаул, 8-913-252-82-66
