Телефон: +7 (383)-235-94-57

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ С БИОКОМПОНЕНТАМИ

Опубликовано в журнале: Менделеев №3(7)

Автор(ы): Комерзан Александр Николаевич, Зобов Александр Борисович, Репин Дмитрий Владимирович, Егоров Семен Анатольевич

Рубрика журнала: Фундаментальные вопросы развития естественных наук

Статус статьи: Опубликована 25 марта

DOI статьи: 10.32743/2658-6495.2020.3.7.268

Библиографическое описание

Комерзан А.Н., Зобов А.Б., Репин Д.В., Егоров С.А. [и др.] ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ С БИОКОМПОНЕНТАМИ // Менделеев: эл.научный журнал. –2020 – №3(7). URL: https://mendeleevjournal.ru/archive/7/268 (дата обращения: 11.07.2020). DOI: 10.32743/2658-6495.2020.3.7.268

Комерзан Александр Николаевич

бакалавр, оператор четвертой научной роты, Федеральное государственное автономное учреждение «Военный Инновационный Технополис «Эра»,

РФ, г. Анапа

Зобов Александр Борисович

магистр, оператор четвёртой научной роты, Федеральное государственное автономное учреждение «Военный Инновационный Технополис «Эра»,

РФ, г. Анапа

Репин Дмитрий Владимирович

магистр, оператор четвёртой научной роты, Федеральное государственное автономное учреждение «Военный Инновационный Технополис «Эра»,

РФ, г. Анапа

Егоров Семен Анатольевич

магистр, оператор четвёртой научной роты, Федеральное государственное автономное учреждение «Военный Инновационный Технополис «Эра»,

РФ, г. Анапа

 

PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF DIESEL FUELS WITH BIOCOMPONENTS

 

Alexander Komerzan

bachelor, operator of the fourth scientific company FGAU VIT "ERA"

Russia, Anapa

Alexander Zobov

master of science, operator of the fourth scientific company FGAU VIT "ERA"

Russia, Anapa

Dmitry Repin

master of science, operator of the fourth scientific company FGAU VIT "ERA"

Russia, Anapa

Semen Egorov

master of science, operator of the fourth scientific company FGAU VIT "ERA"

Russia, Anapa

 

АННОТАЦИЯ

В статье определяются перспективы развития биодизельных топлив в качестве альтернативного сырья минеральным топливам. Приведен анализ образцов моторных топлив с биокомпонентами, определяющий целесообразность и эффективность использования таких топлив.

Оценка положительных и отрицательных сторон применения биодизельного топлива проведена на основе анализа сопоставления физико-химических и эксплуатационных характеристик.

ABSTRACT

The article defines the prospects for the development of biodiesel fuels as an alternative raw material to mineral fuels. The analysis of samples of motor fuels with biocomponents is provided, which determines the feasibility and efficiency of using such fuels.

Assessment of the positive and negative aspects of biodiesel undertaken on the basis of analysis of the Association of physico-chemical and performance characteristics.

 

Ключевые слова: Биодизельное топливо, растительные масла, возобновляемые источники энергии, дизельное топливо.

Keywords: Biodiesel, vegetable oils, renewable energy sources, diesel fuel.

 

На сегодняшний день, вопрос о чрезмерном воздействии человека на окружающую среду путем использования невозобновляемых ресурсов в качестве источников сырья для производства топлив приобретает все большее значение. В связи с этим, повышаются требования к экологичности топлив. Становится актуальным создание и разработка новых технологий, которые соответствуют современным международным требованиям. Основное направление в решении данной задачи является внедрение в состав топливных композиций возобновляемых сырьевых ресурсов, материалов растительного происхождения и растительных масел.

Среди перспективных направлений работы в области создания альтернативных топлив является разработка биодизельного топлива – компонента дизельного топлива на основе растительных масел и моноалкиловых эфиров высших карбоновых кислот растительного или животного происхождения [4].

При создании биодизельного топлива используются, прежде всего, рапсовое, подсолнечное, соевое масло.

Следует отметить, что биодизель, полученный из различной сырьевой базы, имеет определенные отличия. Так, пальмовый биодизель характеризуется большой калорийностью, наиболее высокой температурой фильтруемости и застывания. Рапсовый биодизель несколько уступает пальмовому по калорийности, но лучше переносит низкие температуры, поэтому более всего подходит для многих европейских стран [1].

Основной перечень растительных масел, применяемых в биодизельных топливах представлен на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Основной перечень растительных масел, применяемых в биодизельных топливах

 

Компоненты биодизельных топлив обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными нефтяными фракциями: в производстве и использовании биодизеля, примерно, на 80 % меньше выбросов диоксида углерода и почти на 100 % меньше диоксида серы [2]. Эфиры жирных кислот обладают высокими показателями воспламеняемости и экологическими характеристиками. Одним из самых важных качеств биодизеля является его полный биологическая деградация в почве или воде, вследствие чего исключается негативное воздействие топлив на экосистему.

На сегодняшний день активно развивают программу получения и использования биодизея (БД) из растительного сырья большинство государств Евросоюза, США, Канада, Бразилия, Австралия. Согласно директиве Европейского союза (ЕС) содержание БД в общем объеме содержимого нефтепродуктов должно составлять не менее 5%. До 2030 года ЕС планирует обеспечить 25% своих потребностей в горючем за счет чистых и эффективных видов биологического сырья. [5] Отсюда следует вывод о том, что изучение опыта введения биокомпонентов в традиционные топлива является актуальной задачей в развитии топливно–энергетического комплекса Российской Федерации.

С целью оценки перспективы использования биодизельного топлива, был выполнен анализ основных физико–химических свойств рассматриваемого продукта, а также проведено его сравнение с традиционным дизельным топливом.

Так, в работе [2] представлен анализ использования рапсового масла в качестве альтернативного топлива для дизельных двигателей. Проведено сравнение основных физико-химических характеристик относительно традиционного дизельного топлива. (табл. 1).

Таблица 1.

Физико–химические свойства рапсового масла и дизельного топлива

Параметр

Рапсовое масло

Дизельное топливо

Состав, %:

 

 

С

77,6

78,4

Н

11,5

12,1

О

10,9

9,5

Плотность при 15°С, кг/м3

917

800–845

Кинематическая вязкость при

40°С, мм2

42,1

1,5–4,0

Динамическая вязкость при 20°С, Па·с

68,7·10–3

3,154·10–3

Поверхностное натяжение, Н/м

33,2·10–3

27,1·10–3

Низшая теплота сгорания, МДж/м3

36,992

42,437

Цетановое число

36–55

46–49

Температура вспышки, определяемая взакрытом тигле, не ниже, °С

 

100

 

55

Температура застывания, °С

–23

–10, –35, – 45,

–55

Содержание серы, %

0,005

0,5

Кислотность, мг КОН/100л топлива

4,66

5

Коксуемость 10% остатка, %,

не более

0,4

0,3

 

К факторам, ограничивающим применения рапсового масла в сравнении с дизельным топливом можно отнести следующие: повышенная плотность и вязкость, на 13% сниженная теплота сгорания, повышенная коксуемость 10 % остатка.

Необходимо отметить, что повышенная вязкость рапсового масла, а также поверхностное натяжение негативно влияют на динамику развития топливного факела, а также на размеры распыляемых частиц топлива. Вследствие этого уменьшается доля объемного смесеобразования за счет попадания на стенки камеры сгорания большего количества топлива.

Также отметим, что коксуемость 10 % остатка рапсового масла на 33% выше, чем у дизельного топлива. Это связано с тем, что масло полностью не сгорает. Более низкая теплота сгорания способствует снижению мощности двигателя при работе в номинальном режиме

Однако, влияние данных негативных факторов можно свести к минимуму, если рапсовое масло использовать в смеси с дизельным топливом, производить подогрев топлива, а также совершить переналадку топливной аппаратуры. В качестве топлива для дизельных двигателей наиболее перспективным является дизельное топливо в соотношении 25% рапсовое масло 75% дизельное топливо [2].

Одним из важных параметров дизельных топлив является стабильность продукта при транспортировке и хранении. В работе [3] была проведена оценка химической стабильности биодизельных топлив, синтезированных из рапсового и подсолнечного масел. Исследования были проведены в лабораторных условиях при повышенной температуре в присутствии медной пластинки. Результаты исследования приведены в таблице 2

Таблица 2.

Физико–химические показатели дизельного топлива, биодизельного топлива, синтезированного из рапсового (МЭРМ) и подсолнечного (МЭПМ) масел

Наименование показателя

Дизельное топливо

МЭРМ

МЭПМ

Величина показателя

До испытания

После испытания

До испытания

После испытания

До испытания

После испытания

Плотность 15°C, кг/м3

842

844

882

890

883 

889

Вязкость кинематическая при 15 °C, мм2/с

4,94

5,39

7,45

10,29

7,29

9,70

Содержание фактических смол, мг/100 см3 топлива

8

34

19

43

21

40

Кислотность, мг КОН/100 см3 топлива

0,5

1,1

0,5

1,2

0,46

1,1

Содержание механических примесей, мг/100 см3 топлива

отсутствует

4,9

отсутствует

1,6

отсутствует

1,6

Сульфатная зольность, % (масс.)

0,005

0,015

0,014

0,032

0,015

0,032

Коксуемость 10 %–го остатка, %

0,1

0,32

0,013

0,028

0,011

0,024

 

Исходя из данных таблицы 2,  можно заметить, что изменение плотности биодизельных топлив заметно выше, чем изменение плотности дизельного топлива. Также наблюдается значительное увеличение кинематической вязкости.

Более высокое содержание в биодизельном топливе фактических смол объясняется его фракционным составом и большей склонностью его компонентов к полимеризации [3]. Показатели содержания механических примесей в дизельном топливе значительно выше, чем в биодизельных топливах. Это может быть связано с тем, что образующиеся при хранении высокомолекулярные вещества лучше растворимы в смеси сложных эфиров высших карбоновых кислот, чем в углеводородной среде нефтяного топлива. Данный анализ позволяет сделать вывод, что биодизельные топлива, синтезированные из рапсового и подсолнечного масел, обладают низкой стабильностью при длительном хранении. В чистом виде применение данных продуктов нецелесообразно, так как испытания показали существенное отклонение показателей качества биотоплива от требований ГОСТ 32511-2013. «Топливо дизельное ЕВРО». 

Примером успешного применения биокомпонентов в дизельном топливе является гидроочищенное растительное масло, которое не оказывает вредного воздействия на биодизельное топливо сложноэфирного типа. Химически гидроочищенные растительные масла (ГРМ) представляют собой смеси парафиновых углеводородов и не содержат серы и ароматических углеводородов. Низкотемпературные свойства ГРМ можно регулировать путем корректировки степени гидроочистки или дополнительной каталитической обработки. ГРМ отличается высоким цетановым числом, а также соответствуют требованиям, предъявляемым дизельным топливам. ГРМ может использоваться как в чистом виде, так и в соотношениях 25% ГРМ и 75% ДТ.

В таблице 3 представлены основные физико–химические свойства ГРМ в сравнении с дизельным топливом по стандарту EN 590, а также с биодизелем на основе рапсового масла (МЭРМ) [6].

Таблица 3.

Физико–химические свойства ГРМ, дизельного топлива по стандарту EN 590 и МЭРМ

Наименование показателя

ГРМ

EN 590

МЭРМ

Плотность при 15°С, кг/м3

775–785

835

885

Кинематическая вязкость при

40°С, мм2/с

2,5–3,5

3,5

3,2–4,5

Цетановое число

80–99

53

51

Низшая теплота сгорания, МДж/м3

44

42,7

37,5

Диапазон перегонки, °С

180–320

180–360

350–370

 

Заметим, что качество МЭРМ зависит от свойств используемого сырья, ГРМ может быть произведено из различных видов растительного масла без влияния на качество топлива.

 

Выводы

Основываясь на вышеизложенной информации, можно сделать следующие выводы:

  1. Использование биокомпонентов сложноэфирного типа, таких как МЭРМ и МЭПМ, целесообразно в их смеси с дизельным топливом. Содержание должно быть не выше 5%, согласно стандарту EN 590:2004. Более высокое содержание биокомпонентов в топливе требует доработки топливной аппаратуры вследствие низкой стабильности биотоплив, а также образования отложений в системах впрыска топлива.
  2. Использование гидроочищенного растительного масла в качестве биокомпонента к дизельным топливам является перспективным направлением в развитии биотоплив, и может использоваться как в чистом виде, так и в соотношениях 25% ГРМ и 75% ДТ.

 

Список литературы:

  1. Варнаков В. В., Варнаков Д. В., Платонов А. В. Способ и система оценки стабильности качества биотоплива для дизельных двигателей // Международный научный журнал. – 2013. – №3. – С. 95–101;
  2. Жосан А.А., Рыжов Ю.Н., Курочкин А.А. Сравнение физико–химических свойств дизельного топлива и рапсового масла // Вестник ОрелГАУ. – 2011. – №4(31) – С. 72–74;
  3. Романцова С.В., Рязанцева И.А., Малахов К.С. Стабильность биодизельных топлив при хранении. // Вестник ТГУ. – 2009. – №14. – С. 63 – 66.
  4. Сайдахмедов А.И. Использование биокомпонентов для расширения ресурсов и улучшения качества дизельного топлива // Дисс. …. канд. технических наук: 05.17.07 . - М.: РГУНиГ им. И.М. Губкина 2012.– 117 с.
  5. Справочник по возобновляемой энергетике Европейского союза. / Ермоленко Г.В., Толмачева И.С., Ряпин И.Ю. и др. – Москва: Институт энергетики НИУ ВШЭ. – 2016. – 96 С.
  6. Aatola H., Larmi M., Sarjovaara T., Mikkonen S. Hydrotreated Vegetable Oil (HVO) as a Renewable Diesel Fuel: Trade–off between NOx, Particulate Emission, and Fuel Consumption of a Heavy Duty Engine // SAE International Journal of Engines. – 2009. – №1. – P 1251–1262