Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Сайдахмедов Ахрорбек Игамбердиевич
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОКОМПОНЕНТОВ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ РЕСУРСОВ И УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
05.17.07 - Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2012
Работа выполнена в Российском Государственном Университете нефти и газа имени И.М. Губкина.
Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор
Капустин Владимир Михайлович
Официальные оппоненты:
Митусова Тамара Никитовна, доктор технических наук, профессор, зав. отделом разработки и испытаний дизельных, судовых и котельных топлив в ОАО ВНИИ НП
Башкатова София Тихоновна, доктор технических наук, профессор кафедры физической и коллоидной химии Российского Государственного Университета нефти и газа имени И.М. Губкина
Ведущая организация: Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева
РАН
Защита состоится Ф24Ф ФапреляФ 2012 года в 15 часов в ауд.541 на заседании диссертационного совета Д 212.200.04 при Российском Государственном Университете нефти и газа имени И.М.Губкина (119991, г. Москва, Ленинский проспект, 65).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина
Автореферат разослан У23Ф апреля 2012 года.
Ученый секретарь диссертационного
Совета Д 212.200.04
доктор технических наук, профессор Р.З. Сафиева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Значительное увеличение мировых цен на минеральное топливо, сокращение его запасов, проблемы с доставкой конечному потребителю обуславливают необходимость поиска альтернативных источников топлива. Вместе с этим, в свете современных требований к качеству моторных топлив актуальным становится разработка и внедрение новых технологий, обеспечивающих производство топлив, соответствующих современным международным требованиям. Одним из основных направлений решения данной задачи является развитие возобновляемых источников энергии, основанных на получении топлива путем переработки биологических материалов растительного происхождения и растительных масел.
Среди альтернативных топлив одним из наиболее распространенных и перспективных считается биодизельное топливо (или биодизель) - компонент дизельного топлива на основе растительных масел и моноалкиловых эфиров высших карбоновых кислот растительного или животного происхождения. Важной причиной, которая вызывает повышенный интерес к биодизельному топливу и к дизельному топливу с добавкой биокомпонентов, является экология. Биокомпоненты способствует созданию в биосфере замкнутого круговорота диоксида углерода. Они при попадании в воду, не причиняют вреда растениям и животным. Кроме того, биокомпоненты подвергаются полному биологическому распаду в почве или в воде.
Для производства биодизеля и биокомпонентов для вовлечения в дизельное топливо чаще всего используют рапсовое масло, как более доступное, но можно использовать пальмовое, подсолнечное, кукурузное, соевое и другие растительные масла. В настоящей работе были проведены комплексные исследования с хлопковым маслом - продуктом производства хлопка - одной из основных сельскохозяйственных культур, имеющей большие объемы производства и важное экспортное значение для Республики Узбекистан. Кроме того, в работе были исследованы топливные композиции с добавлением смесей сложных эфиров жирных кислот хлопкового масла, полученных путем переэтерификации масла с низшими алифатическими спиртами.
Цель работы. Разработка топливных композиций дизельных топлив с вовлечением биокомпонентов растительного происхождения на базе сырьевых источников Республики Узбекистан.
Основные задачи. Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие научные задачи:
- проведен комплекс исследований и в соответствии с действующим национальным стандартом Oz Dst 989:2010 разработаны композиции дизельного топлива с вовлечением хлопкового масла, производимого в крупных промышленных масштабах в Узбекистане;
- проведены исследования по получению смесей сложных эфиров хлопкового масла путем переэтерификации хлопкового масла с низшими алифатическими спиртами: метанолом, этанолом и
н-бутанолом; - разработаны композиции дизельного топлива с вовлечением смесей метилового, этилового и бутилового эфиров хлопкового масла в соответствии с действующим национальным стандартом Oz Dst 989:2010;
- исследованы композиции дизельного топлива с биокомпонентами на базе сырьевых источников Республики Узбекистан - на эксплуатационные характеристики и состав отработавших газов двигателя.
Научная новизна.
- Впервые проведены комплексные исследования по вовлечению в дизельное топливо хлопкового масла и смесей сложных эфиров жирных кислот, полученных путем переэтерификации масла с низшими алифатическими спиртами.
- Впервые показано, что при росте молекулярной массы низших алифатических спиртов ход реакции переэтерификации хлопкового масла со спиртом существенно смещается в сторону образования мыл, что требует замены щелочного катализатора на кислотный.
- Впервые показано, что хлопковое масло и его эфиры, так же как и топлива на базе рапсового масла, значительно улучшают экологические характеристики отработавших газов двигателя, причем изменение температуры подачи смесевого дизельного топлива с добавками биокомпонента в двигатель позволяет улучшить его экологические показатели.
Практическая значимость и реализация результатов.
Проведенные исследования показали, что максимальная концентрация добавок биокомпонентов в смесевом дизельном топливе, соответствующем требованиям национального стандарта Oz Dst 989:2010, составляет - 3% масс. хлопкового масла и 5% масс. смесей метиловых, этиловых или бутиловых эфиров хлопкового масла.
При этом критическими параметрами, накладывающими ограничения на процентное содержание биокомпонента в смесевом топливе, являются:
- при добавке хлопкового масла - температура застывания, предельная температура фильтруемости и кинематическая вязкость;
- при добавке метиловых, этиловых или бутиловых эфиров хлопкового масла - утяжеление фракционного состава.
На основе проведенных исследований на Бухарском НПЗ выпущены опытные партии дизельных топлив с добавками биокомпонентов: хлопкового масла и смеси этиловых эфиров хлопкового масла. По результатам испытаний топливо соответствовало всем требованиям национального стандарта Oz Dst 989:2010 на дизельное топливо и было использовано в автомобилях транспортного парка предприятия. Отклонений от нормальной работы во время эксплуатации автомобилей при использовании смесевого дизельного топлива с биокомпонентами замечено не было. Дальнейшая эксплуатация этих автомобилей с применением традиционного углеводородного топлива не выявила негативных последствий.
Апробация работы. Отдельные разделы работы доложены на:
4-й Международной научно-технической конференции Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем (Москва, 2008); 5-й Международной научно-технической конференции Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем (Москва, 2009); Международной научной студенческой конференции Нефть и Газ - 2010 (Москва, 2010); Международной научно-практической конференции Нефтегазопереработка-2011, посвященной 55-летию ГУП Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан (Уфа, 2011); 6-й Международной научно-технической конференции Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем (Москва, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 научно-технических статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и 3 приложений.
Текст диссертации изложен на 117 страницах и содержит 21 таблицу, 16 рисунков, список литературы из 125 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и сформулированы основные задачи исследования.
В первой главе дана общая характеристика дизельных топлив на базе нефтяного сырья и биокомпонентов в свете возрастающих экологических и эксплуатационных требований к ним. Показаны возможности и перспективы Республики Узбекистан по производству дизельных топлив с добавлением продуктов растительного происхождения на базе местных источников сырья.
По разделу на основе анализа литературного материала сделаны следующие выводы:
- в ближайшей перспективе сохранятся высокие темпы роста потребности в дизельных топливах;
- усилия многих мировых компаний направлены на изыскание путей расширения ресурсов дизельных топлив с учетом обеспечения их экологической безопасности, а также на изучение альтернативных видов энергии, поэтому вопросы поиска путей и разработки способов увеличения ресурсов дизельного топлива, а также использование в качестве компонентов дизельных топлив продуктов растительного происхождения представляют собой важнейшую задачу;
- Узбекистан имеет выгодные природно-климатические условия для выращивания продуктов растительного происхождения. Одним из распространенных выращиваемых растительных культур является хлопок. Также имеются огромные ресурсы по получению этилового спирта. Это делает актуальным изучение хлопкового масла и смесей эфиров, получаемых из него в качестве биокомпонентов дизельного топлива.
Во второй главе рассмотрены объекты и методы исследования.
Для достижения цели работы и решения поставленных задач в качестве объектов исследования были выбраны следующие:
- дизельное топливо марки ТДБЛ по Oz Dst 989:2010 производства Бухарского НПЗ;
- хлопковое масло производства Янги-Юльского масложиркомбината;
- технический метиловый спирт марки А по ГОСТ 2222-95;
- технический этиловый спирт марки Экстра по ГОСТ 18300-87;
- н-бутиловый спирт по ГОСТ 6006-78 (ч.д.а.).
Показатели преломления смесей веществ (фракций) определялись на рефрактометре ИРФ-23.
Определение состава отработавших газов двигателя проводилось с помощью газоанализатора КМ9106 QUINTOX.
Для определения других показателей качества хлопкового масла, смесей сложных эфиров хлопкового масла, дизельных топлив с биокомпонентами использовались стандартные методики.
В третьей главе представлены результаты исследований по введению в состав дизельного топлива хлопкового масла и результаты исследований процесса переэтерификации хлопкового масла метанолом, этанолом и
н-бутанолом с получением смесей сложных эфиров, которые затем исследовались в качестве биокомпонентов смесевого дизельного топлива. В таблице 1 представлены физико-химические свойства образцов дизельного топлива с добавками хлопкового масла.
Таблица 1.
Физико-химические свойства дизельного топлива с добавлением хлопкового масла
Показатели | Норма по Oz Dst 989:2010 (стандарт Республики Узбекистан) | Дизельное топливо | ||
нефтяное | с добавлением хлопкового масла, % масс. | |||
3 | 5 | |||
Плотность при 20С, кг/м3 | не более 860 | 823 | 826 | 828 |
Цетановое число | не менее 45 | 51 | 52 | 53 |
Фракционный состав, С | ||||
50% | не выше 280 | 256 | 261 | 264 |
96% | не выше 360 | 352 | 357 | 358 |
Температура, С | ||||
застывания | не выше Ц10 | Ц11 | Ц10 | Ц8 |
помутнения | не выше Ц5 | Ц6 | Ц6 | Ц6 |
предельная фильтруемости | не более Ц5 | Ц5 | Ц5 | Ц4 |
Коэффициент фильтруемости | не более 3 | 1 | 1 | 2 |
Содержание, | ||||
воды | отс. | отс. | отс. | отс. |
механических примесей | отс. | отс. | отс. | отс. |
общей серы | не более 0,2 | 0,12 | 0,12 | 0,11 |
меркаптановой серы | не более 0,01 | 0,0005 | 0,0005 | 0,0005 |
сероводорода | отс. | отс. | отс. | отс. |
водорастворимых кислот и щелочей | отс. | отс. | отс. | отс. |
Концентрация фактических смол, мг/100 см3 топлива | не более 40 | 15 | 18 | 22 |
Иодное число, г I2/100 г | не более 6 | 0,2 | 1,5 | 1,9 |
Коксуемость 10%-го остатка, % масс. | не более 0,2 | 0,01 | 0,02 | 0,03 |
Зольность, % масс. | не более 0,01 | 0,002 | 0,004 | 0,0072 |
Испытание на медной пластинке | выдерж. | выдерж. | выдерж. | выдерж. |
Вязкость кинематическая при 20С, мм2/с | 3Ц6 | 3,96 | 5,8 | 6,9 |
Кислотное число, мг КОН/100 см3 топлива | не более 5 | 0 | 0,4 | 0,6 |
Температура вспышки в закрытом тигле, С | не ниже 40 | 48 | 52 | 55 |
Как видно изтаблицы, ведение добавки хлопкового масла в дизельное топливо благоприятно сказывается на показателях цетанового числа и температуры вспышки. При этом ухудшаются низкотемпературные свойства, вязкость топлива, утяжеляется фракционный состав, повышается зольность, йодное и кислотное числа, растет концентрация фактических смол. Критическими параметрами являются температура застывания, предельная температура фильтруемости и кинематическая вязкость смесевого топлива, накладывающие ограничения на процентное содержание хлопкового масла в дизельном топливе - 3% масс.
Смеси метиловых и этиловых эфиров жирных кислот хлопкового масла были получены путем прямой переэтерификации хлопкового масла метиловым и этиловым спиртами при температуре 80-90С в присутствии едкого калия. По методике расчетное количество щелочи растворяют в спирте и полученный раствор добавляют в разогретое растительное масло. По окончании процесса оставшуюся щелочь нейтрализуют, после чего эфирная фаза отмывается от мыл. В лабораторных условиях выход метиловых эфиров составлял 88-92%, этиловых эфиров - 85-88%.
В процессе получения смеси бутилового эфира хлопкового масла традиционным способом установлено, что основное количество щелочи расходуется на омыление компонентов реакционной смеси. На основании проведенного литературного обзора по поиску эффективной каталитической системы в реакциях переэтерификации жирных кислот, было установлено, что помимо щелочных катализаторов в процессах переэтерификации жирных кислот используются кислые катализаторы - неорганические кислоты. Как показали проведенные исследования, азотная кислота не может рассматриваться в качестве катализатора процесса бутанолиза хлопкового масла. Серная и соляная кислоты показали высокую эффективность. При этом отмечено, что процесс бутанолиза при условиях - температура 115С, соотношение спирт/масло = 6/1, количество катализатора (концентрированной кислоты) 2% масс. на масло - протекает в течение 50-60 мин. Вместе с этим, наибольшая степень конверсии хлопкового масла в бутиловые эфиры (до 96%) достигается при использовании концентрированной серной кислоты.
Определено, что по своим физико-химическим свойствам смеси сложных эфиров несколько отличаются от самого хлопкового масла и характеризуются относительно меньшими значениями плотности, вязкости и температуры вспышки (табл. 2).
Сравнивая физико-химические свойства смесей метиловых, этиловых и бутиловых эфиров хлопкового масла (табл. 2), можно отметить, что при переходе от метиловых к этиловым и далее к бутиловым эфирам наблюдается снижение плотности эфиров, что объясняется уменьшением компактности молекул из-за снижения их полярности, которое оказывает влияние на возникающие в растворе водородные связи. Вместе с этим фракционный состав бутиловых эфиров несколько шире, а температура выкипания 50% выше, чем у метиловых и этиловых, что можно объяснить возможным образованием изомерных структур в процессе переэтерификации н-бутанолом и повышением молекулярной массы эфиров. Важным отличием бутиловых эфиров хлопкового масла от метиловых и этиловых является высокое значение кинематической вязкости, обусловленное ростом размеров молекул.
Таблица 2.
Физико-химические свойства сложных эфиров хлопкового масла
Показатели | Смеси эфиров хлопкового масла | ||
метиловый | этиловый | бутиловый | |
Плотность при 20С, кг/м3 | 874 | 868 | 866 |
Вязкость кинематическая при 20С, мм2/с | 7,08 | 7,96 | 10,04 |
Содержание серы, ppm | 15 | 21 | 22 |
Иодное число, г I2/100 г | 60,4 | 72,4 | 61,8 |
Кислотное число, мг КОН/100 см3 топлива | 20,12 | 6,48 | 1,32 |
Температура, С | |||
помутнения | -8 | -12 | -12 |
застывания | -13 | -18 | -19 |
Фракционный состав, С | |||
н.к. | 309 | 285 | 274 |
5% | 324 | 293 | 298 |
10% | 328 | 309 | 327 |
20% | 331 | 320 | 342 |
30% | 332 | 325 | 347 |
40% | 333 | 331 | 349 |
50% | 334 | 334 | 350 |
60% | 336 | 345 | 351 |
96% | 361 | 362 | 364 |
Результаты проведенных исследований по добавке смесей сложных эфиров хлопкового масла в дизельное топливо показали, что образцы дизельного топлива с содержанием 5%масс. метиловых, этиловых или бутиловых эфиров хлопкового масла полностью отвечают требованиям действующего стандарта на дизельное топливо. При этом улучшаются следующие показатели смесевого топлива:
- повышается цетановое число;
- понижаются температуры помутнения и застывания;
- повышается температура вспышки.
Выявлено, что при увеличении углеводородного радикала наблюдаются следующие изменения физико-химических свойств сложных эфиров, которые далее оказывают влияние на смесевое дизельное топливо с биокомпонентами:
- снижение плотности топлива;
- повышение кинематической вязкости топлива;
- понижение температуры помутнения и застывания;
- утяжеление фракционного состава у смесей бутилового эфира хлопкового масла.
Сравнивая физико-химические свойства смесевых топлив с добавками хлопкового масла и смесей сложных эфиров хлопкового масла можно отметить, что в условиях Узбекистана по совокупности физико-химических свойств наиболее оптимальным биокомпонентом дизельного топлива может рассматриваться смесь этиловых эфиров хлопкового масла, поскольку его производство основано на исключительном использовании сырья растительного происхождения, производящимся в промышленных масштабах на территории Республики Узбекистан. Кроме того, даже частичное вовлечение биокомпонентов в дизельное топливо нефтяного происхождения обеспечит снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами при его сгорании.
В четвертой главе представлены результаты программы исследования эксплуатационных и экологических характеристик дизельного двигателя при работе на дизельном топливе нефтяного происхождения и топливе с добавками хлопкового масла и его этиловых эфиров.
Для проведения исследований были составлены топливные композиции с максимально возможной концентрацией биодобавки [3% масс. для хлопкового масла (далее - ХМ) и 5% масс. для смеси этиловых эфиров хлопкового масла (далее - ЭЭХМ)] в дизельном топливе, соответствующем требованиям стандарта (см. выводы по главе 3). Отметим, что оба биокомпонента хорошо компаундируются с дизельным топливом в любых пропорциях, образуя стабильные смеси.
Для проведения исследований эксплуатационных показателей работы двигателя были выбраны два режима работы:
- Режим максимальной мощности (420 лошадиных сил при 1900 оборотах в минуту);
- Режим максимального крутящего момента (1864 Н*м в диапазоне 1100-1350 оборотов в минуту).
При этом регулировочные параметры двигателя были настроены на работу с дизельным топливом нефтяного происхождения, никакие его настойки при работе со смесевым топливом с биокомпонентами не менялись. В этих условиях фиксировались следующие эксплуатационные характеристики: удельный расход топлива g (г/(кВт/ч), КПД двигателя э и коэффициент избытка воздуха . Основные результаты исследований представлены
на рис. 1-3.
Рис. 1. Зависимость КПД двигателя от содержания биокомпонентов в дизельном топливе
Анализ результатов исследования удельного расхода топлива и КПД двигателя показал, что добавка биокомпонента в небольших концентрациях (3% масс. для ХМ или 5% масс. для ЭЭХМ), когда смесевое топливо соответствует требованиям стандарта, наблюдается прирост КПД дизельного двигателя, который более выражен при применении ЭЭХМ. Повышение концентрации биокомпонентов отрицательно сказывается на КПД двигателя.
Рис. 2. Зависимость коэффициента избытка воздуха от содержания хлопкового масла в дизельном топливе
Рис. 3. Зависимость коэффициента избытка воздуха от содержания этилового эфира хлопкового масла в дизельном топливе
Сравнивая графики, представленные на рис. 2-3, можно констатировать, что введение в дизельное топливо биокомпонентов способствует снижению коэффициента избытка воздуха, необходимого для сгорания топлива. Объяснить этот эффект можно тем фактом, что биокомпоненты, входящие в состав дизельного топлива, имеют в своей химической формуле связанный кислород (особенно это характерно для ЭЭХМ). Благодаря наличию кислорода в топливе наблюдается снижение коэффициента избытка воздуха, так как для полного сгорания топлива требуется меньшее количество кислорода.
Экологические показатели работы двигателя исследовались на одном режиме работы двигателя - режиме максимальной мощности (420 лошадиных сил при 1900 оборотах в минуту), поскольку именно на этом режиме возникают повышенные концентрации вредных веществ в отработавших газах двигателя. В качестве показателей экологичности выбросов были выбраны: концентрация в отработавших газах моноксида углерода ССО, оксидов азота СNOx и несгоревших углеводородов ССHx. Результаты проведенных исследований при добавке в дизельное топливо ХМ и ЭЭХМ представлены на рис. 4 и рис. 5 соответственно.
Рис. 4. Изменение экологических характеристик отработавших газов двигателя от содержания ХМ в дизельном топливе
Рис. 5. Изменение экологических характеристик отработавших газов двигателя от содержания ЭЭХМ в дизельном топливе
Концентрация оксидов серы не оценивалась, поскольку этот показатель напрямую зависит от концентрации серы в топливе. На основании данных по концентрации общей серы в хлопковом масле и его эфирах можно сделать вывод, что с ростом концентрации биокомпонентов в топливе концентрация серы в отработанных газах двигателя будет снижаться.
Анализ результатов содержания оксидов азота, моноксида углерода и несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя показывает, что добавка биокомпонентов способствует снижению содержания этих веществ в данном интервале концентраций биокомпонентов в дизельном топливе.
Наряду с этим выявлено улучшение экологических показателей работы двигателя при работе на низких концентрациях биокомпонентов в топливе: содержание моноксида углерода, оксидов азота и несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя плавно снижается.
На Бухарском НПЗ была выпущена опытная пария дизельного топлива с добавкой ХМ в концентрации 3% масс. и ЭЭХМ в концентрации 5% масс. Опытная партия была использована в автомобилях транспортного цеха завода в качестве замены дизельного топлива. Проведенные испытания опытных партий показали, что топливо с биодобавками может успешно применяться на автотранспорте, заменяя дизельное топливо нефтяного происхождения. Экономический расчет показал целесообразность применения дизельных топлив с добавкой ХМ в концентрации 3% масс на Бухарском НПЗ.
Таким образом, введение в дизельное топливо биокомпонентов способствует:
- повышению удельного расхода дизельного топлива, что можно связать со снижением удельной теплоты сгорания топлива с биокомпонентами из-за наличия кислородсодержащих соединений в их составе;
- повышению КПД двигателя в режиме наибольшего крутящего момента, который можно связать с улучшением полноты сгорания смесевого топлива;
- снижению коэффициента избытка воздуха, необходимого для сгорания топлива.
В пятой главе представлены результаты исследований влияния температуры подачи в двигатель на экологические характеристики отработанных газов при сгорании смесевого топлива.
Для проведения исследований по влиянию температуры подачи топлива в двигатель экспериментальная установка была оборудована устройством электроподогрева топлива на линии низкого давления. Контроль над температурой подачи топлива осуществлялся с помощью термопары в корпусе топливного насоса высокого давления. Топливо подвергалось нагреву в диапазоне 40-90С с шагом 10С. При этом, исследования проводились на смесевых топливах с максимальной концентрацией бикомпонентов при соответствии действующему стандарту Республики Узбекистан на дизельное топливо Oz Dst 989:2010: 3% масс. ХМ и 5% масс. ЭЭХМ.
Результаты проведенных исследований по изменению концентрации оксидов азота в отработанных газах представлены на рис. 6.
Рис. 6. Изменение содержания оксидов азота в отработавших газах двигателя от температуры подачи топлива
Характер изменения содержания оксидов азота в отработавших газах двигателя от температуры подачи топлива, представленный на рис. 6, показывает, что наибольшие изменения в концентрации оксидов азота в отработанных газах при изменении температуры подачи топлива происходят при сгорании дизельного топлива с 3% масс. ХМ: концентрация оксидов азота в отработанных газах значительно снижается, что характеризует лучший распыл топлива через форсунки при впрыске в камеру сгорания двигателя благодаря снижению вязкости топлива, причем после предварительного подогрева топлива с 3% масс.
Анализ результатов по изменению содержания моноксида углерода и несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя от температуры подачи топлива показал, что предварительный подогрев топлив как с добавками биокомпонентов, так и без них практически не меняет концентрацию этих веществ в выхлопных газах двигателя.
Исследования по предварительному подогреву в линии низкого давления смесевых топлив с максимально высокой концентрацией бикомпонентов при соответствии смесевых топлив действующему стандарту Республики Узбекистан на дизельное топливо Oz Dst 989:2010 позволяет констатировать, что с ростом температуры подачи топлива от 40 до 90С наблюдается следующее:
- содержание оксидов азота в отработавших газах двигателя, работающего на топливе с хлопковым маслом, падает, что обусловлено лучшей распыляемостью разогретого топлива через форсунки и улучшением процесса сгорания вследствие уменьшения локальных перегревов в камере сгорания двигателя, а также уменьшением периода задержки воспламенения;
- содержание оксидов азота для других топлив не изменилось;
- содержание моноксида углерода и несгоревших углеводородов не изменилось.
Таким образом при применении смесей дизельного топлива с хлопковым маслом желательно организовать подогрев топлива с целью понижения вязкости топлива.
Выводы
- Впервые проведены комплексные исследования по вовлечению в дизельное топливо хлопкового масла и смесей сложных эфиров жирных кислот, полученных путем переэтерификации масла с низшими алифатическими спиртами. Показана перспективность их использования в качестве биокомпонентов в составе дизельного топлива.
- Результаты исследований показали, что полученные образцы дизельного топлива с вовлечением хлопкового масла полностью отвечают требованиям действующего национального стандарта Республики Узбекистан на дизельное топливо Oz Dst 989:2010. Ведение хлопкового масла в дизельное топливо улучшает показатели цетанового числа и температуры вспышки, но при этом ухудшаются низкотемпературные свойства. Критическими параметрами являются температура застывания, предельная температура фильтруемости и кинематическая вязкость смесевого топлива, накладывающие ограничения на процентное содержание хлопкового масла в дизельном топливе - 3% масс.
- Впервые показано, что при росте молекулярной массы низших алифатических спиртов ход реакции переэтерификации хлопкового масла со спиртом существенно смещается в сторону образования мыл. Исследования показали, что метиловые и этиловые эфиры могут быть получены по стандартной технологии с применением щелочи, максимальный выход эфиров составил 92 и 88% соответственно. Бутиловые эфиры хлопкового масла получать по технологии с применением щелочи в качестве катализатора невозможно, поскольку из-за растворения бутанола в среде масла преимущественно проходит реакция щелочи с молекулами жирных кислот и триглицеридов с образованием соответствующих мыл. При этом выход бутиловых эфиров составил не более 14%.
- Исследования процесса переэтерификации н-бутанола с хлопковым маслом показали, что наиболее эффективным катализатором является концентрированная серная кислота (выход бутиловых эфиров в лабораторных условиях составил 96%).
- Выявлено, что при увеличении углеводородного радикала эфиров хлопкового масла наблюдаются следующие изменения физико-химических свойств последних, которые далее оказывают влияние на смесевое биодизельное топливо: снижение плотности, повышение кинематической вязкости, понижение температуры помутнения и застывания, утяжеление фракционного состава у бутилового эфира хлопкового масла.
- Исследования показали, что образцы дизельного топлива с содержанием до 5% масс. метиловых, этиловых или бутиловых эфиров хлопкового масла полностью отвечают требованиям действующего стандарта на дизельное топливо. При этом улучшаются следующие показатели смесевого топлива: повышается цетановое число, понижаются температуры помутнения и застывания, повышается температура вспышки.
- Показано, что введение в дизельное топливо биокомпонентов (хлопковое масло или его этиловый эфир) способствует снижению коэффициента избытка воздуха, необходимого для сгорания топлива.
- Исследования состава отработавших газов двигателя показали улучшение экологических показателей при сгорании дизельного топлива с максимальной концентрацией биокомпонентов, соответствующего стандарту Республики Узбекистан Oz Dst 989:2010:
- по содержанию моноксида углерода, оксидов азота и несгоревших углеводородов в отработавших газах двигателя добавки биокомпонентов способствуют снижению концентраций этих веществ;
- эффект улучшения экологических показателей при сгорании топлив сильнее выражен при добавке ЭЭХМ, чем для ХМ, что объясняется высокой концентрацией кислорода в смесевых топливах и соответственно более низким температурным режимом двигателя.
- Анализ результатов исследований по предварительному подогреву смесевого топлива с максимальной концентрацией биокомпонентов, соответствующего стандарту Oz Dst 989:2010, позволяет констатировать, что с ростом температуры подачи топлива от 40 до 90С содержание оксидов азота в отработавших газах двигателя, работающего на топливе с хлопковым маслом, падает, что обусловлено лучшей распыляемостью разогретого топлива через форсунки и улучшением процесса сгорания вследствие уменьшения локальных перегревов в камере сгорания двигателя, а также уменьшением периода задержки воспламенения.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Сайдахмедов А.И. Разработка биодизельного топлива из хлопкового масла. Материалы 4-й международной научно-технической конференции Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем. Москва, 2008, с. 134-135.
- Сайдахмедов А.И., Сайдахмедов Э.Э., Капустин В.М. Хлопковое масло как добавка к дизельному топливу. Материалы 5-й международной научно-технической конференции Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем. Москва, 2009, с. 108-109.
- Сайдахмедов А.И., Сайдахмедов Э.Э. Сложные метиловые эфиры хлопкового масла как компонент биодизельного топлива. Тезисы докладов 64-й Международной научной студенческой конференции Нефть и Газ - 2010. Москва, 2010, с. 66.
- Сайдахмедов А.И., Карпов С.А. Особенности использования этанола в дизельном топливе // Нефтепереработка и нефтехимия, 2011, №3, с. 21-25.
- Капустин В.М., Карпов С.А., Сайдахмедов А.И. Биодизельное топливо: преимущества, недостатки и перспективы промышленного производства // Нефтепереработка и нефтехимия, 2011, №4, с. 49-54.
- Сайдахмедов А.И., Карпов С.А. Влияние добавок метиловых эфиров хлопкового масла в топливо на рабочие характеристики двигателя. Материалы Международной научно-практической конференции Нефтегазопереработка-2011, посвященной 55-летию ГУП Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан. Уфа, 2011, с. 154.
- Сайдахмедов А.И. Перспективы производства товарного дизельного топлива с добавкой этанола. Материалы Международной научно-практической конференции Нефтегазопереработка-2011, посвященной 55-летию ГУП Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан. Уфа, 2011, с. 155.
- Сайдахмедов А.И., Карпов С.А. Исследование смесевого малосернистого дизельного топлива с добавками хлопкового масла. Материалы Международной научно-практической конференции Нефтегазопереработка-2011, посвященной 55-летию ГУП Институт нефтехимпереработки Республики Башкортостан. Уфа, 2011, с. 156.
- Сайдахмедов А.И., Карпов С.А., Капустин В.М. Исследование влияния добавок хлопкового масла и продуктов его этерификации на характеристики дизельного топлива // Химия и технология топлив и масел, 2011, №5, с. 3-7.
- Карпов С.А., Брыкин М.А., Царев А.В., Сайдахмедов А.И., Капустин В.М. О механизме действия оксигенатов на процесс сгорания автомобильных топлив // Нефтепереработка и нефтехимия, 2011 г., №11,
с. 36-43. - Сайдахмедов А.И. Получение дизельных топлив с вовлечением компонентов растительного происхождения. Материалы 6-й международной научно-технической конференции Глубокая переработка нефтяных дисперсных систем. Москва, 2011, с. 66-69.
- Сайдахмедов А.И., Карпов С.А. Исследование сложных эфиров хлопкового масла для производства биодизельного топлива // Нефтепереработка и нефтехимия, 2012, №2, с. 34-37.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям