CC BY
32УДК 661.74, 331.453
Natalia K. Kondrasheva1, Anzhelika M. Eremeeva2, Konstantin S. Nelkenbaum3
REDUCTION OF HARMFUL EMISSIONS FROM THE OPERATION DIESEL ENGINE
1 Saint-Petersburg mining university, 2, 21st Line, St. Petersburg, 199106, Russia
2 Institute of Petrochemistry and Catalysis, Russian Academy of Sciences 141, pr. Oktjabrja, g. Ufa, 450075, Respublika Bashkortostan, Russia
The main parameters of the ZETOR 1404 turbo engine, such as power, speed, fuel consumption, and the amount of harmful emissions when using diesel fuel in this engine were studied. The developed method of reducing the level of harmful substances emitted into the atmosphere, which consists in improving the quality of diesel fuel by introducing a certain amount of biofuel into it, joining on the basis of renewable raw materials.
Keywords: labor safety, reduction of emissions, environmentally friendly diesel fuel, biofuel.
Введение
Развитие горнодобывающей промышленности происходит все более высокими темпами, а применение самоходного горного оборудования с дизельным приводом в подземных рудниках значительно повышает производительность труда при проведении таких вспомогательных работ, как перевозка технических и горюче-смазочных материалов, ремонтно-такелажных работ, строительство и ремонт подземных дорог, перевозка людей и др. Однако преимущества, достигнутые при применении самоходных горных машин и механизмов с дизельным приводом в подземных условиях, могут быть достигнуты только при условии обеспечения безопасных условий их эксплуатации.
При сгорании 50-54 млн тонн дизельного топлива, содержащего 0,2 % серы, в атмосферу выбрасывается около 200 тыс. т оксидов серы. Кроме того, соединения серы являются источником твердых частиц в отработанных газах дизельного двигателя, наряду с полициклическими ароматическими углеводородами [1].
К основным методам снижения выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу от автотранспорта относятся:
- повышение качества используемого топлива,
- использование альтернативных видов топлива,
- использование термических реакторов и каталитических нейтрализаторов,
- использование сажевых фильтров,
- улучшение процессов смесеобразования и горения топлива в двигателях внутреннего сгорания,
- использование присадок,
- обеспечение качественного технического обслуживания и контроля транспортных средств.
Н.К. Кондрашева1, А.М. Еремеева2, К.С. Нелькенбаум3
СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ ПРИ РАБОТЕ
ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Санкт-Петербургский горный университет, 21 линия, д. 2, Санкт-Петербург, 199106, Россия
Институт нефтехимии и катализа РАН пр. Октября, 141, г. Уфа, 450075, Республика Башкортостан, Россия
Были изучены основные параметры двигателя ZETOR 1404 турбо, такие как мощность, число оборотов, расход топлива, а также количество вредных выбросов при использовании дизельного топлива в данном двигателе. Разработан способ снижения концентрации выбрасываемых вредных веществ в атмосферу, который заключается в улучшении качества дизельного топлива за счет введения в него определенного количества биотоплива, полученного на основе возобновляемого сырья.
Ключевые слова: безопасность труда, снижение выбросов, экологически чистое дизельное топливо, биотопливо.
Улучшение экологических свойств органического топлива может достигаться за счет введения в товарное дизельное топливо биодобавок, которые позволяют снизить вредные выбросы в атмосферу отработанных газов автомобилей при этом одновременно увеличивается ресурс двигателя в 2-3 раза, снижается диаметр пятна износа топлива, понижается теплотворная способность, но полученное топливо удовлетворяет по всем характеристикам ГОСТ Р 52368.
Количественные и качественные характеристики загрязняющих веществ, выделяющихся в атмосферу при работе дизельных двигателей, приведены в таблице 1 [2].
Таблица 1 Качественный состав загрязняющих веществ при работе дизельного двигателя
Загрязняющее вещество Максимально разовый выброс, г/с
Диоксид азота 0,106
Оксид азота 0,017
Углерод 0,022
Диоксид серы 0,013
Оксид углерода 0,104
Керосин 0,030
Как видно из данных таблицы 1 наибольшее количество выбросов приходится на диоксид азота и оксид углерода.
Наиболее актуальным является изучение количества вредных выбросов на предприятиях горной промышленности, в частности в подземных рудниках.
1 Кондрашева Наталья Константиновна, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. химических технологий и переработки энергоносителей СПбГУ, e-mail: natalia_kondrasheva@mail.ru
Natalia K. Kondrasheva Dr Sci. (Eng.), Head of the Department of Engineering and Energy Carriers Processing Saint-Petersburg mining university
2 Еремеева Анжелика Михайловна, аспирант каф. химических технологий и переработки энергоносителей СПбГУ, e-mail: eremeevaanzhelika@rambler.ru Anzhelika M. Eremeeva, post-graduate student, Department of Engineering and Energy Carriers Processing Saint-Petersburg mining university,
3 Нелькенбаум Константин Савельевич, аспирант, Институт нефтехимии и катализа РАН, e-mail: fox@web-rb.ru Konstantin S. Nelkenbaum, post-graduate student, Institute of Petrochemistry and Catalysis, Russian Academy of Sciences,
Дата поступления - 26 декабря 2017 года
Целью исследований являлось разработка способа, позволяющего снизить вредные выбросы при работе дизельных двигателей на горнодобывающих предприятиях за счет улучшения состава дизельного топлива.
Экспериментальная часть
На предприятиях горной промышленности наиболее распространенным на подземном монорельсовом транспорте является двигатель Zetor 1404. Параметры работы двигателя представлены в таблице 2 [3].
Таблица 2 Параметры работы дизельного двигателя Zetor 1404
Тип двигателя ZETOR 1404 турбо (для шахтных условий)
Вид двигателя с воспламенением от сжатия, с непосредственным впрыском топлива
Макс. мощность 81 кВт - 5 %
Номинальное число оборотов 2300 мин
Количество цилиндров 4
Расход топлива 255 г/кВтч
Топливо дизельное топливо
Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу при работе данного двигателя, было определено и приведено в таблице 3 [3].
Таблица 3 Состав выбросов при работе дизельного двигателя Zetor 1404 турбо
Загрязняющее вещество Движение, г/мин Холостой ход, г/мин
Азота диоксид (Азот (IV) оксид) 1,976 0,384
Азот (II) оксид (Азота оксид) 0,321 0,0624
Углерод (Сажа) 0,41 0,06
Сера диоксид (Ангидрид сернистый) 0,23 0,097
Углерод оксид 1,57 2,4
Керосин 0,51 0,3
Расчет максимально разовых выбросов /-го вещества при работе двигателя ZETOR 1404 турбо осуществляется по формуле:
где mдв и< - удельный выброс /-го вещества при движении машины без нагрузки, г/мин; 1,3 ■ тдв к - удельный выброс /-го вещества при движении машины под нагрузкой, г/ мин; тдв /к - удельный выброс /-го вещества при работе двигателя машины на холостом ходу, г/мин; ^в - время движения машины за 30-ти минутный интервал без нагрузки, мин; Ыгр. - время движения машины за 30-ти минутный интервал под нагрузкой, мин; txx - время работы двигателя машины за 30-ти минутный интервал на холостом ходу, мин; Nk - наибольшее количество машин одновременно работающих за 30-ти минутный интервал.
Из полученных значений G¡ выбирается максимальное с учетом одновременности движения.
Расчет валовых выбросов /-го вещества осуществляется по формуле:
где ^дв - суммарное время движения без нагрузки всех машин, мин; Гнагр - суммарное время движения под нагрузкой всех машин, мин; fxx - суммарное время работы двигателей всех машин на холостом ходу, мин.
Расчет годового и максимально разового выделения загрязняющих веществ в атмосферу при работе дизельного двигателя ZETOR 1404 турбо приведен в таблице 4.
Таблица 4 Значения годового и максимально разового выделения загрязняющих вещества в атмосферу при работе дизельного двигателя ZETOR1404 турбо
Вещество в, г/с М, т/год
N02 0,0532396 0,469105
N0 0,0086466 0,0761871
С 0,011035 0,0972455
S02 0,0065456 0,0576354
СО 0,0518028 0,454904
керосин 0,0150083 0,132095
Из расчетов следует, что наибольшее количество выбросов составляют выбросы диоксида азота и оксида углерода. Именно эти компоненты вносят самый большой вклад в токсичность выхлопных газов, следовательно, их и нужно минимизировать. Для этого необходимо разработать мероприятия, позволяющие изменить состав топлива и, в первую очередь, снизить содержание оксидов углерода в отработанных газах.
В данной работе было получено биотопливо в процессе переэтерификации растительных масел одноатомным спиртом по методике и двухатомным спиртом [4] и были определены оптимальные технологические параметры процессов. При использовании нормального бутилового спирта и различных растительных масел технологические параметры процесса представлены в таблице 5.
Таблица 5 Основные технологические параметры процесса переэтерификации растительных масел н-бутанолом
Параметр Значение
Температура, °С 115
Время, мин 240
Скорость перемешивания, об/мин 250
Соотношение сырья (масло: спирт) 2:1
катализатор кислотный
При этом выход сложных эфиров после окончания процесса составил порядка 70 % мас.
Параметры процесса переэтерификации при использовании двухатомного спирта и растительных масел представлены в таблице 6. Выход смеси эфиров составил около 75 % мас.
Таблица 6 Основные технологические параметры процесса переэтерификации растительных масел двухатомным спиртом
Параметр Значение
Температура, °С 140-150
Время, ч 12
катализатор кислотный
Исходя из данных таблиц 5 и 6, а также учитывая выход биотоплива в каждом из процессов, экономически целесообразно проводить процесс, используя одноатомный спирт (н-бутанол), поэтому в дальнейших исследованиях в качестве компонента экологически чистого дизельного топлива будет применяться биодизель, полученный по первому методу.
Основными компонентами полученного биотоплива являются сложные эфиры (таблица 7).
Таблица 7 Состав синтезированной биодобавки
№ Название эфира
1 бутиловый эфир энантовой кислоты
2 бутиловый эфир каприловой кислоты
3 бутиловый эфир пеларгоновой кислоты
4 бутиловый эфир каприновой кислоты
5 дибутиловый эфир глутаровой кислоты
6 бутиловый эфир лауриновой кислоты
7 бутиловый эфир миристиновой кислоты
8 дибутиловый эфир пеларгоновой кислоты
9 дибутиловый эфир себациновой кислоты
10 бутиловый эфир пальмитиновой кислоты
11 бутиловый эфир элаидиновой кислоты
12 гексадеценовый эфир элаидиновой кислоты
13 бутиловый эфир олеиновой кислоты
14 метиловый эфир линолевой кислоты
15 бутиловый эфир элаидиновой кислоты
16 эфир карбаминовой кислоты
17 диметилэтиловый эфир пропеновой кислоты
18 метиловый эфир эйкозеновой кислоты
19 бутиловый эфир уксусной кислоты
В составе данного образца биотоплива отсутствовали вредные соединения, нормируемые ГОСТ Р 52368.
Обсуждение результатов
При использовании биотоплива в смеси с нефтяным гидроочищенным дизельным топливом, главным образом, уменьшаются выбросы вредных веществ после сжигания экологически чистого топлива в двигателе. Как видно на рисунке, при использовании биодизельного топлива в чистом виде содержание углеводородов в отработанных газах снижается до 55 %., летучих органических соединений - до 59 %, оксидов углерода - до 45 %, количество дисперсных частиц снижается до 63 %. Но уже при введении биотоплива в количестве 10 % в состав экологически чистого дизельного топлива концентрация одного из основных токсичных газов - оксида углерода снижается на 11 %.
Уменьшение количества угарного газа в выхлопных газах при работе двигателей внутреннего сгорания на экологически чистом дизельном топливе также наблюдалось несколькими авторами [5]. Это изменение объясняется за счет следующего явления: при увеличении температуры сгорания и наличия атомов кислорода в исходном горючем окисление углерода протекает более интенсивно.
Выбросы же оксидов азота, вероятно, возможно снизить за счет изменения режима работы двигателя.
-Оксиды углерода Углеводороды -^-оксиды азота ■
Летучие органические соединения Рисунок. Зависимость количества выбросов вредных веществ от содержания биотоплива в дизельном топливе
Оптимальным содержанием биотоплива в смеси с нефтяным дизельным топливом является 10 % мас. При введении данного количества биодизельного топлива концентрация одного из основных токсичных газов - оксида углерода снижается на 11%. Притом, физико-химические и эксплуатационные свойства топлива при данном соотношении (биодизель : дизельное топливо - 1 : 9) будут соответствовать ГОСТ Р 52368 на дизельное топливо. При введении большего количества биотоплива качества биодизельного топлива снижается и потребуются конструкторские изменения самого двигателя, что является дорогостоящим, долговременным и невозможным (в наше время) мероприятием. Тем более, что себестоимость биотоплива (38 руб./л) выше себестоимости нефтяного дизельного топлива, поэтому использование его в чистом виде нерентабельно, в то время как себестоимость смесевого экологически чистого дизельного топлива в указанном выше соотношении биодизеля не будет выше 25 руб./л.
Заключение
Было установлено, что при использовании биотоплива, полученного на основе растительных масел и одноатомного спирта, в качестве добавки к нефтяному гидроочищенному дизельному топливу, значительно снижаются выбросы в атмосферу вредных веществ, а именно, оксида углерода, дисперсных частиц углеводородов и других летучих органических соединений.
Оптимальным соотношением, при котором не нарушаются эксплуатационные качества топлива, является соотношение биотопливо : дизельное топливо - 1 : 9.
Содержание оксида углерода в отработанных газах снижается на 11 %, углеводородов - на 12 %, летучих органических соединений - на 19 %, дисперсных частиц - на 22 %.
Литература
1. Крылов И.Ф., Емельянов В.Е., Никитина Е.В. [и др.]. Малосернистые дизельные топлива: плюсы и минусы // Химия и технология топлив и масел. 2005. № 6. С. 3-6
2. Перечень мероприятий по охране окружающей среды. 2017. С.104-106
3. Инструкция по эксплуатации шахтного подвесного локомотива DLZ110F. С. 8
4. Кондрашева Н.К., Еремеева А.М. Изучение влияния присадок и добавок на эксплуатационные и экологические характеристики дизельного топлива // Известия СПбГТИ(ТУ). 2017. № 38(64). С. 86-89
5. Герасимов И.Е. Исследование химии горения биотоплив на основе сложных метиловых эфиров: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 2015. 110 с.
References
1. Krylov I.F., Emel'janov V.E., Nikitina E.V. [i dr.]. Malosernistye dizel'nye topliva: pljusy i minusy // Himija i teh-nologija topliv i masel. 2005. № 6. S. 3-6
2. Perechen' meroprijatij po ohrane okruzhajushhej sredy. 2017. S.104-106.
3. Instrukcija po jekspluatacii shahtnogo podvesno-go lokomotiva DLZ110F. S. 8.
4. Kondrasheva N.K., Eremeeva A.M. Izuchenie vli-janija prisadok i dobavok na jekspluatacionnye i jekologich-eskie harakteristiki dizel'nogo topliva // Izvestija SPbGTI(TU). 2017. № 38(64). S. 86-89
5. Gerasimov I.E. Issledovanie himii gorenija bio-topliv na osnove slozhnyh metilovyh jefirov: dis. ... kand. fiz.-mat. nauk. Novosibirsk, 2015. 110 s.
