Применение смесевых биотоплив на основе метиловых эфиров растительных масел в транспортных дизелях

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В. А. Марков, С. Н. Девянин, С. А. Нагорнов
ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСЕВЫХ БИОТОПЛИВ НА ОСНОВЕ МЕТИЛОВЫХ ЭФИРОВ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ В ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЯХ
Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,
Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина, Тамбовский государственный технический университет
(e-mail: markov@power. bmstu. ru)
Обоснована необходимость использования биотоплив на основе растительных масел в дизелях. Проведен анализ физико-химических свойств этих биотоплив. Проведены экспериментальные исследования дизеля, работающего на нефтяном дизельном топливе и на его смесях с метиловым эфиром подсолнечного масла.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, метиловый эфир подсолнечного масла, сме-севое биотопливо, токсичность отработавших газов.
The demand for vegetable oil-based biofuels diesel engines run on has been proved. Analysis of physical-chemical properties of the biofuels has been carried out. Experimental research on a diesel engine running on petroleum diesel fuel and petroleum diesel fuel — sunflower oil methyl esters mixtures has been conducted.
Keywords: diesel engine, diesel fuel, sunflower oil methyl ester, mixed biofuel, exhaust gas toxicity.
В настоящее время особую значимость приобретает проблема сокращения выбросов в окружающую среду углекислого газа (диоксида углерода) СО2. Это объясняется заметным повышением его концентрации в атмосфере, вызванным быстрым ростом промышленного производства и резким увеличением количества транспортных средств. В настоящее время в атмосферу ежегодно выбрасывается более 25 млн. тонн углекислого газа, а к 2020 году ежегодные выбросы СО2 в атмосферу достигнут 35 млн. тонн (рис. 1) [1]. Углекислый газ не оказывает токсического действия на организм человека, но при его повышенном содержании в атмосфере создается парниковый эффект, приводящий к так называемому тепловому загрязнению окружающей среды. Вследствие этого явления повышается температура воздуха в нижних слоях атмосферы, происходит глобальное потепление, особенно заметное в крупных городах, наблюдаются различные климатические аномалии.
Есо2& gt- млн. тонн/год
1980 1990 2000 2100 Годы
Рис. 1. Увеличение выбросов в атмосферу диоксида углерода Есо2, связанных с деятельностью человека в различных регионах мира:
1 — США- 2 — Канада- 3 — Западная Европа- 4 — Япония и страны тихоокеанского региона- 5 — Латинская Америка- 6 — страны бывшего СССР- 7 — Восточная Европа- 8 — Китай- 9 — Индия- 10 — остальная Азия- 11 — Африка
Кроме того, повышение содержания в атмосфере СО2 способствует образованию озоновых дыр. При снижении концентрации озона в атмосфере повышается отрицательное воздействие жесткого ультрафиолетового излучения на организм человека.
С точки зрения снижения парникового эффекта важным фактором является невозобнов-ляемость запасов нефти, природного газа и других полезных ископаемых. Образующийся при сгорании моторных топлив из этих ресурсов углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу, нарушает баланс между кислородом и углекислым газом в атмосфере. Поэтому более предпочтительны топлива, вырабатываемые из возобновляемого источника энергии — сырья растительного происхождения. При использовании топлив из этого сырья достигается кругооборот углекислого газа и кислорода в атмосфере, поскольку при сгорании топлив растительного происхождения выделяется примерно такое количество СО2, которое было потреблено из атмосферы растениями за период их жизни.
Следует учитывать, что сельскохозяйственные культуры (свекла, рапс, пшеница) обеспечивают существенно больший объем выделяемого кислорода по сравнению с дикорастущими растениями (луга, пастбища и лес, рис. 2) [2]. В частности, выделение кислорода с одного гектара посевов рапса за сезон составляет 10,6 тысяч кубических метров и сопровождается поглощением около 10 тысяч кубических метров или 20 тонн углекислого газа. При посевных площадях рапса в 1 млн. гектаров поглощение СО2 составит 10−106 тыс. кубических метров или 20 млн. тонн в год.
Использование биотоплив позволяет не только обеспечить кругооборот углекислого газа и кислорода в атмосфере, но и уменьшить выбросы в атмосферу с ОГ двигателей внутрен-
Объем выделяемого кислорода. тыс. м3
12-----------------------------------------------------------------------------
в------------------- -------- -------- ---------------------------
4------------------- -------- -------- ------- -------- _
0 --------------т------------!------------!-------------I------------!---------*"
Сахарная Рапс Пшеница Картофель Луга и Лес
свекла пастбища
Рис. 2. Выделение кислорода за сезон различными сельскохозяйственными культурами, пастбищами и лесом с одного гектара посевов или угодий
него сгорания основных токсичных компонентов — монооксида углерода СО, несгоревших углеводородов СНХ и твердых частиц на величину до 50% [2]. Благодаря незначительному содержанию серы (10−15 ppm) и отсутствию ароматических соединений в биотопливах, получаемых из растительных масел, выбросы ОГ дизелей практически не содержат оксидов серы и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), являющихся канцерогенами и вызывающих онкологические заболевания. При попадании этих биотоплив в почву и водные бассейны происходит их быстрое разложение в течение нескольких недель.
Экономический потенциал возобновляемых источников энергии в настоящее время оценивается в 20 млрд. тонн условного топлива в год, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива [2]. Это обстоятельство указывает путь развития энергетики будущего, особенно региональной и локальной. Повсеместный переход на возобновляемые источники энергии не происходит лишь потому, что промышленность, сельское хозяйство, транспорт и другие отрасли в течение длительного периода развития были ориентированы на традиционные топлива. Однако неисчерпаемость и экономическая чистота возобновляемых источников энергии заставляет по-новому рассматривать перспективы их использования.
Анализ перспектив использования возобновляемых источников энергии для производства моторных топлив для дизельных двигателей убедительно свидетельствует о значительных преимуществах растительных масел. Причем, топлива могут быть произведены из более чем 50 масличных культур. Это позволяет подобрать для производства биотоплива масличную культуру, в наибольшей степени приспособленную к выращиванию в конкретном регионе. Применительно к условиям европейской части России наиболее перспективной масличной культурой представляется рапс. С одного гектара посевов рапса можно получить до одной тонны биотоплива.
Растительные масла могут применяться как самостоятельное топливо для дизелей, в смесях с дизельным топливом, перерабатываются в метиловый, этиловый или бутиловый эфиры, которые используются как самостоятельное биотопливо или как смесевые топливо (в смеси с дизельным или другими альтернативными то-
пливами). Наибольшую долю в мировом производстве растительных масел имеет соевое масло (рис. 3). В условиях Российской Федерации одной из наиболее распространенных масличных культур является подсолнечник.
Производство масел, %

/ 2
3
4
А / б 7 / 9 10
1 11 ¦ 1
Рис. 3. Диаграмма мирового производства основных видов масел и жиров:
1 — соевое- 2 — пальмовое- 3 — рапсовое- 4 — подсолнечное- 5 — арахисовое- 6 — хлопковое- 7 — кокосовое- 8 — пальмоядровое- 9 — кукурузное- 10 — прочие
Еще сравнительно недавно биодизельное топливо в Европе производилось почти исключительно из рапсового масла. В 2001 году на долю метилового эфира рапсового масла (МЭРМ) приходилось около 84% биодизельного топлива, 13% составлял метиловый эфир подсолнечного масла (МЭПМ), по 1% - на сложные эфиры, производимые из соевого масла, пальмового масла и остальных масел [2]. К 2010 году сырьевая база для производства биодизельных топлив в странах Евросоюза заметно расширилась. Доля рапсового масла, выращиваемого в этих странах, как сырья для выпуска моторных топлив сократилась до 63% (рис. 4) [3]. Но следует отметить, что возросла до 13% доля импортируемых растительных масел (в том числе -рапсового). Заметную долю сырьевых ресурсов составили животные жиры (9%) и фритюрные растительные масла (5%). Причем, основную часть фритюрных масел составило подсолнечное масло.
Импорт -13% Другие — 2% Рапсовое
Рис. 4. Сырьевая база для производства биодизельного топлива в странах ЕС в 2010 году
В условиях Российской Федерации весьма привлекательным представляется использование для производства биодизельного топлива подсолнечного масла. Если в мировом производстве растительных масел ведущее место занимают соевое и рапсовое масла, то в России наиболее распространенным растительным маслом является подсолнечное (рис. 5) [4].
Объем его производства превышает 80% общего объема производства растительных масел. Это растительное масло вызывает дополнительный интерес еще и потому, что производство биодизельного топлива может быть организовано из отработанного фритюрного подсолнечного масла, широко применяемого в пищевой промышленности.
Рис. 5. Валовый сбор маслосемян в мире (а) и в России (б)
Для анализа показателей топливной экономичности и токсичности ОГ дизельного двигателя, работающего на биодизельных топливах, проведены экспериментальные исследования дизеля типа Д-245. 12С (4 ЧН 11/12,5) на смесях метилового эфира подсолнечного масла (МЭПМ) и дизельного топлива. Исследуемый дизель выпуска-
ется Минским моторным заводом (ММЗ) для малотоннажных грузовых автомобилей ЗиЛ-5301 «Бычок», а его модификации — для автобусов Павловского автомобильного завода (ПАЗ) и тракторов «Беларусь» Минского тракторного завода (МТЗ). Некоторые свойства исследуемых топлив приведены в табл. 1 [4].
Таблица 1
Физико-химические свойства топлив
б
а
Физико-химические свойства Топлива
ДТ МЭПМ
Плотность при 20 оС, кг/м3 830 886
Вязкость кинематическая при 20 оС, мм2/с 3,8 7,0
Коэффициент поверхностного натяжения ст при 20 оС, мН/м 27,1 —
Теплота сгорания низшая, кДж/кг 42 500 37 200
Цетановое число 45 47
Температура самовоспламенения, оС 250 —
Температура помутнения, оС -25 -13
Температура застывания, оС -35 -17
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12,53
Содержание, % по массе: С 87,0 76,7
Н 12,6 12,2
О 0,4 11,1
Общее содержание серы, % по массе 0,20 —
Коксуемость 10%-ного остатка, % по массе 0,2 —
Кислотность, мг КОН / 100 мл топлива — 0,2
Поскольку МЭПМ содержит не только насыщенные, но и ненасыщенные жирные кислоты (олеиновую, линолевую, линоленовую, эруко-вую), а также другие нестабильные соединения, то при его хранении могут происходить окислительные и деструктивные процессы, способные изменять исходные физико-химические свойства. Поэтому определенный интерес вызывают экспериментальные исследования дизеля, работающего на биотопливах, имеющих различные сроки хранения. В предлагаемом исследовании дизель типа Д-245. 12С испытывался на нефтяном ДТ и
Данные табл. 2 свидетельствуют о том, что перевод исследуемого дизеля с нефтяного ДТ на смеси 60% ДТ и 40% МЭПМ позволяют заметно улучшить экологические показатели двигателя. Так, на режиме максимальной мощности при частоте вращения коленчатого вала п = 2400 мин-1 при такой смене топлива дымность О Г Кх сократилась с 15 до 6% по шкале Хартриджа, т. е. в 2,5 раза. На режиме максимального крутящего момента при п = 1500 мин-1 дымность ОГ снизилась с 36 до 20% по шкале Хартриджа. Интегральные на режимах 13ступенчатого испытательного цикла удельные массовые выбросы монооксида углерода еСО сократились с 2,782 до 1,949 г/(кВт-ч), т. е.
на смеси 60% (объемное содержание) нефтяного ДТ и 40% свежеприготовленного МЭПМ (далее -новый МЭПМ), а также на аналогичной смеси, содержащий 40% МЭПМ, хранившегося в течение года (далее — старый МЭПМ). Дизель испытывался на режимах внешней скоростной характеристики и 13-ступенчатого испытательного цикла Правил 49 ЕЭК ООН. Как показали результаты проведенных исследований, различия указанных выше физико-химических свойств исследуемых топлив оказывают влияние и на показатели дизеля (табл. 2).
примерно на 30%. Интегральные удельные массовые выбросы несгоревших углеводородов еСНх снизились с 1,006 до 0,775 г/(кВт-ч), т. е. примерно на 22%. При этом интегральные удельные массовые выбросы оксидов азота еМОх изменились сравнительно слабо на величину ±3% (как в сторону уменьшения при использовании нового МЭПМ, так и в сторону увеличения при использовании старого МЭПМ). Наконец, эффективность процесса сгорания, характеризуемая эффективным КПД дизеля це при его питании смесями ДТ и МЭПМ, даже несколько возросла (за исключением режима максимального крутящего момента и использовании старого МЭПМ).
Таблица 2
Показатели дизеля Д-245. 12С, работающего на различных топливах
Применяемое топливо
Показатели дизеля ДТ 60% ДТ и 40% МЭПМ (новый) 60% ДТ и 40% МЭПМ (старый)
Часовой расход топлива От, кг/ч:
— на режиме максимальной мощности 19,23 20,07 20,31
— на режиме максимального крутящего момента 12,51 13,14 13,32
Крутящий момент Ме, Н-м:
— на режиме максимальной мощности 310 311 311
— на режиме максимального крутящего момента 359 357 354
Дымность О Г Кх, % по шкале Хартриджа:
— на режиме максимальной мощности 15,0 6,0 6,0
— на режиме максимального крутящего момента 36,0 25,0 20,0
Удельный эффективный расход топлива gе, г/(кВт-ч):
— на режиме максимальной мощности 246,6 257,0 260,2
— на режиме максимального крутящего момента 222,1 234,5 239,3
Эффективный КПД дизеля це:
— на режиме максимальной мощности 0,343 0,350 0,346
— на режиме максимального крутящего момента 0,381 0,384 0,376
Интегральные удельные выбросы токсичных компонентов на режимах 13-ступенчатого цикла, г/(кВт-ч):
— оксиды азота еЫОх 5,948 5,742 6,173
— монооксид углерода, еСО 2,782 1,949 1,950
— несгоревшие углеводороды, еСНх 1,006 0,784 0,775
Что касается сопоставления показателей дизеля, работающего на смесях нефтяного дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла с новым и старым МЭПМ, то в большинстве случаев разница этих показателей весьма незначительна и находится в пределах точности определения указанного параметра. Это свидетельствует о том, что стабильность МЭПМ при хранении достаточно высока, а изменения физико-химических свойств МЭПМ при хранении не оказывают заметного влияния на показатели дизеля при его питании этим биотопливом.
В заключение следует отметить, что результаты проведенных исследований подтверждают возможность использования в дизелях биодизельных топлив, получаемых из растительных масел. Наибольшее приближение к свойствам
нефтяных дизельных топлив обеспечивает применение смесей нефтяного дизельного топлива и метиловых эфиров растительных масел.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ильинский, А. И. Киотский протокол и новый углеродный ресурс России / А. И. Ильинский // Автогазоза-правочный комплекс + альтернативное топливо. — 2004. -№ 6. — С. 64−66.
2. Девянин, С. Н. Растительные масла и топлива на их основе для дизельных двигателей / С. Н. Девянин, В. А. Марков, В. Г. Семенов. — М.: Издательский центр ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. — 340 с.
3. Биоэнергетика: Мировой опыт и прогнозы развития / Л. С. Орсик, Н. Т. Сорокин, В. Ф. Федоренко [и др. ]- под ред. В. Ф. Федоренко. — М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2008. — 404 с.
4. Марков, В. А. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В. А. Марков, С. Н. Девянин, В. Г. Семенов, А. В. Шахов, В. В. Багров. — М.: ООО НИЦ «Инженер», 2011. — 536 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой