Э. К. Чибанда, В. М. Славуцкий, А. В. Курапин, Е.А. Шкумат
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАЛЬМОВОГО МАСЛА КАК ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО ЭНЕРГОРЕСУРСА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДИЗЕЛЕЙ
Волгоградский государственный технический университет
E. K.Tshibanda, V. M. Slavutsky, A. V. Kurapin, E.A. Shkumat
ANALYSIS OF THE POSSIBILITY OF USING PALM OIL
AS A RENEWFBLE TNTRGY RESOURCE AS A FUEL
FOR DIESEL ENGINES
Volgograd State Technical University
(e-mail: emery.kadiata@ista.ac.cd, viktorslav39@gmail.ru, vann.69@mail.ru)
В статье рассмотрены возможные пути использования пальмового масла как возобновляемого энергоресурса в качестве топлива для дизелей. Представлены результаты анализа возможностей работы дизелей на пальмовом масле и его смесях с дизельным топливом различного состава. При этом наблюдается улучшение показателей токсичности отработанных газов, а также повышение экономического эффекта при эксплуатации автомобильных и тракторных дизелей.
The potential possibility ways of palm oil using as renewable energy resource as a fuel for diesel engines are considered. The results of the analysis are presented opportunities working diesels with palm oils and its blends with diesel fuel in the different proportion. Improved indicators of toxicity of exhaust gases as well as economic benefits when used in automobile and tractor diesels engines.
Ключевые слова: дизель, дизельное топливо, пальмовое масло, смесевое биотопливо
Keywords: Diesel engine, diesel fuel, palm oil, mixed biofuel
В настоящее время и на период до 2040 – 2050 гг. двигатели внутреннего сгорания транспортного назначения останутся главным потребителем моторных топлив. В мировой структуре парка двигателей внутреннего сгорания транспортного назначения дизели составляют от 49 до 63 % (в зависимости от страны). Они же являются и основным источником выбросов токсичных веществ в атмосферу. Так, например, доля автомобильного транспорта с дизелями в выбросе вредных веществе составляет в США– 60,0 %, в Великобритании – 35,5 %, во Франции – 32 %, в Китае – 65 %, в Африке – 2 %, но в больших городах Африки эти цифры достигают 20 ÷ 30 % [2].
Особенно тяжелая экологическая обстановка складывается в крупных городах мира, где повышение концентрации токсичных выбросов в атмосферу привело к глобальному изменению климата и климатическим аномалиям.
Между тем, законодательные ограничения во всем мире становятся все более строгими к экологичности топлива и технологиям двигателей внутреннего сгорания. Эти причины явились толчком к модернизации дизельных двигателей.
Спрос на топливо возрастает, истощение мировых запасов нефти увеличивается, что является ключевыми факторами, которые привели человечество в настоящее время к необходимости реконструкции топливно-энергетического комплекса путем более глубокой переработки нефти, применения энергосберегающих технологий, перехода на менее дорогостоящие виды топлива и введение инициатив по сокращению выбросов. Для ограничения негативного воздействия автомобильных выбросов на среду обитания человека национальные стандарты нормируют их концентрации (ПДК) в рабочей зоне и атмосфере, а также их массовые выбросы. В Таблице 1 представлены требования евростандартов к содержанию вредных веществ в отработавших газах дизелей.
Таблица 1. Европейские экологические требования к содержанию вредных веществ, г/км
| Стандарт | СО | НС + NОх | NОх | Частицы | Дата введения |
| Евро-5 | 0,5 | 0,23 | 0,18 | 0,005 | Сентябрь2009 |
| Евро-6 | 0,25 | 0,17 | 0,08 | 0,005 | Сентябрь2014 |
Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования двигателей внутреннего сгорания с целью уменьшения вредных выбросов является их адаптация к работе на альтернативных топливах как возобновляемом энергоресурсе. Это также решает проблему истощения запасов нефти и изменения климата.
Биодизельное топливо является одним из видов возобновляемой энергии которое производится из органического материала –Биомасы. В настояшие время много стран мира производят жидкое биодизельное топливо из разных видов растительные масел (рапсовое, соевое, канолавое, пальмовое, ятрофовое и касторовое) которых являются наиболее распраненными среди сырьем. Но при прочих условях производства существует в сранах ЕС,в россии и в США стандартов и регламентации по производству биодизельные топлив и его применятельности в транспортных средств. B Стрнах EC разработан стандарт: EN41214, EN 590, (или 590:2000) и DIN 51606, в России, ГОСТ Р52368, принятный в 2005г и в США действует стандарт АSТМ 6751принятый в 2002. Но реконмендует применять смесь до 20% и ниже в США u в Европе. Стабильность применения биодизельного топлива в технике прогрессивно увеличивается, идет продвижение (выпуск) его на рынке, и спрос будет также увеличиваться в ближайшем будущем. К 2050 г. около 27 % транспортных средств будет работать исключительно на биодизельном топливе, по прогнозам Международного агентства энергии (IEA-2011) [12,13].
Процесс массового внедрения альтернативных видов топлива (АВТ) неизбежен, так как определяется объективными причинами ограниченности запасов нефти в мире и возрастающими требованиями по экологии. Наибольшие перспективы, особенно для развивающихся стран мира, имеют те альтернативные виды топлива, исходную основу сырья для которых составляют растительные масла и биогаз. Как сырье для моторного биодизельного топлива массового использования, растительные масла имеют наилучшие перспективы.
Проблема создания АВТ обусловлена следующими глобальными соображениями:
- эти топлива, как правило, экологически безопасны, при горении обеспечивают меньше выбросов, усиливающих смог, загрязнение воздуха, способствующих глобальному потеплению;
- большинство АВТ производится из неисчерпаемых, возобновляемых ресурсов и запасов;
- использование АВТ позволяет любому государству повысить энергетическую независимость и безопасность;
- разработка АВТ имеет достаточно продолжительную историю.
На европейском континенте биодизельные топлива на основе растительных масел были применены на автомобилях, сначала во Франции, Австрии, Германии(Renault,Volkswagen)и некоторые фирмы в США – фирма Jhon Deere, Allis Chamers, Caterpillar и другие. В России, МГТУ им. Н. Э. Баумана, РУДН, МГУ активно работают в этом направлении для автомобильных рынках России.
Биодизельное топливо используются не только с экологическими, но и экономическими целями. Важным фактором является и то, что развитие производства и использования биотоплива сегодня воспринимается как возможности для некоторых развивающихся стран самостоятельно обеспечить себя необходимыми энергоносителями, а также диверсицировать экспорт и уменьшить уровень бедности, учитывая, что наибольшая продуктивность выработки биодизельного топлива достигается в странах с тропическим климатом. Очень многие развивающиеся страны, расположенные в этой зоне смогут участвовать в освоении рынка альтернативной энергии.
В соответствии с литературой [7,8], в общей разбивке расходов по изготовлению биодизельного топлива, 75 % его стоимости составляет масличное сырье (см. рис.1). Это является его важным преимуществом. Например, в Демократической республике Конго стоимость масличного сырья из пальмы составляет 0,55 долларов США за литр. Следовательно, применение моторных топлив из указанного сырья в исходном виде или после специальной химической обработки, а также в смеси с дизельными топливами в ряде случаев будет экономически значительно более выгодным в странах, где Пальмовое масло(ПалМ) производится в избытке и средная цена одного литра дизельного топлива составляет около 2$.
Рисунок 1. Общая разбивка расходов по изготовлению биодизеля
Выбор сырья для производства определенного вида биодизельного топлива зависит прежде всего от наиболее распространенных масличных культур, произрастающих в данной местности; экономических, материальных и трудовых ресурсов для подержания посевных площадей масличных культур и природно-климатические условия земледельческих районов. Эти параметры влияют на возделывание каждого вида сырья.
По оценке ФАО (FAO – Food and Agriculture organisation – «Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН»), к 2030 г. при повышении спроса на растительные масла в пищевой промышленности и энергетике их мировое потребление и производство будет в два раза больше, чем в 2000 г. [12,13].
В течение последних лет наблюдается рост производства растительного масла. Значения среднегодовых приростов колеблются от 0,8 до 8,6 %, а средний показатель прироста объемов производства с 2000 г. составляет 4,8 % [17].
Вообще, сырье для биодизельного топлива можно разделить на четыре категории: пищевые масличные, непищевые масличные, отходы или использованные масла и животные жиры.
Физический и химический анализ свойств пищевого и непищевого растительного масла как сырья являются очень важными для оценки их эффективности в будущем при производстве биодизельного топлива.
Источником растительных масел являются масличные растения, содержащие в различных своих частях растительные жиры.
Жирные кислоты, являющиеся основными компонентами биодизельного топлива, представляют собой высокомолекулярные кислородосодержащие соединения с углеводородным основанием. По своей химической структуре они схожи с угловодородами, входящими в состав нефтяного дизельного топлива.
Жирно-кислотный состав растительного масла как основы для конкретного биодизельного топлива зависит от сорта сельскохозяйственной культуры, места произрастания, способа извлечения масла и его очистки, при этом содержание в однотипных растительных маслах различных жирных кислот может изменяться в достаточно широких пределах.
Мировое производство основных растительных масел показано на рис. 2. Лидерами на мировом рынке производства дизельного биотоплива являются четыре вида растительного масла: пальмовое, соевое, рапсовое и подсолнечное. Причем, в странах Европы наиболее популярны в данном сегменте рапсовое и подсолнечное масла, в США – соевое масло, в странах с тропическим климатом – пальмовое масло.
Рисунок 2. Мировое производство основных растительных масел.
Биодизельное топливо характеризуется минимальным содержанием серы и полуциклических ароматических углеводородов, высоким цетановым числом, высокой точкой вспышки. Оно является не токсичным, биоразлагаемым, незагрязняющим окружающую среду и хорошо смешиваемым с дизельным топливом, их характеристики относительно близки. Свойства биодизельного топлива из различных видов растительных масел в сравнении с дизельным топливом показаны в Таблице 2.
Таблица 2. Физико–химические свойства дизельного и альтернативных топлив.[1,3,4]
| Физико-химическое свойство | Дизельное топливо | Масло | |||||||
| ДТ | РМ | АМ | ПМ | СМ | пальмовое | оливковое | хлопковое | касторовое | |
| Плотность при 20 оС, кг/м3 | |||||||||
| Вязкость кинематическая мм2/с при: 20 оС 40 оС 100 оС | 3,8 | 75,0 36,0 8,1 | 81,5 36,5 8,3 | 65,2 30,7 7,4 | - 32,0 7,7 | - - 8,6 | - - 8,4 | - - 7,7 | - - 19,9 |
| Цетановое число | - | - | - | ||||||
| Количество воздуха, необходимое для сгорания одного килограмма вещества, кг | 14,3 | 12,6 | 11,2 | 11,1 | 12,5 | 12,7 | - | 12,5 | - |
| Теплота сгорания низшая, Но, МДж/кг | 42,3 | 37,3 | 37,0 | 37,0 | 37,0 | 37,1 | - | - | - |
| Температура самовоспламенения, оС | - | ||||||||
| Температура застывания, оС | -35 | -20 | - | -16 | -12 | +30 | -12 | -18 | -27 |
| Массовое содержание серы, % | 0.20 | 0,002 | - | - | - | - | - | - | - |
| Массовое содержание, % С Н О | 87,0 12,6 0,4 | 78,0 10,0 12,0 | 78,0 12,3 9,7 | 77,6 11,5 10,9 | 77,5 11,5 11,0 | 76,6 12,0 11,4 | - - - | 77,1 11,7 11,2 | - - - |
| Кислотность, мг КОН / 100 мл топлива | 4,66 | - | 2,14 | 0,03 | 0,17 | 5,90 | 0,23 | 0,19 | |
| Коксуемость10%-ногоостатка,%, не более | 0,2 | 0,40 | - | 0,51 | 0,44 | - | 0,20 | 0,23 | - |
Примечания: 1.Для параметров со знаком «–» нет данных. 2. По другим данным [14] цетановое число для пальмового масла составляет 51.
Высокое цетановое число в определенном биодизельном топливе метаноловым эфир или ПалМ (51 и более) способствует сокращению периода задержки воспламенения и менее «жесткой» работе дизеля. Повышенная температура вспышки в закрытом тигле (120°С) обеспечивает высокую пожаробезопасность, Зиевски (Ziejewski) и Кауфман (Kaufman), Элсбет (Elsbett) [14] обнаружили, что растительные масла, используемые в качестве моторных топлив, могут воспламеняться безопасно в течение короткого времени сгорания в двигателе.
Ракопулос и др. (Rakopulos et al) [14] заметили, что растительные масла, в качестве топлива для дизелей, имеют большую степень вязкости, которая не сходна с обычными топливами, использующимися в дизельном двигателе. Это вызывает отложения на инжекторах и поршнях. Также отложения усиливают эмиссию, в том числе заметно влияют на параметры процесса топливоподачи, приводя к трансформации характеристик впрыскивания и распыливания этих топлив и последующих процессов смесеобразования и сгорания.
Во многих источниках отмечено, что растительные масла могут применяться в качестве топлива для дизелей либо в чистом виде, либо в виде метиловых эфиров, а также в смесях с дизельным топливом, c другими нефтяными топливами, газовыми конденсатами, спиртами и водой.
Из четырех видов растительного масла (пальмовое, соевое, рапсовое, подсолнечное), которые конкурируют на мировом рынке как основа сырья для получения моторных топлив растительного происхождения, пальмовое масло является среди масличных культур наиболее перспективным и привлекательным, производство которого на протяжении последних 10 лет заметно увеличилось в сельскохозяйственном секторе. В перспективе возможно 12-кратное увеличение его производства по сравнению с существующим [15].
Важно учитывать, что среди основных видов масла для получения моторных топлив для дизелей – пальмовое масло несет в себе большое количество преимуществ – экологических и экономических, оно высоко кислородсодержащее, имеет хорошие смазывающие свойства, его цены на рынке очень низки, производительность и выращивание культуры в тропических регионах очень легки.
Пальмовое масло (ПалМ) является растительным маслом, получаемым из мясистой части плодов масличной пальмы. Масло из семян – плодов пальмы называется пальмоядровым маслом. Плод (пульпа) масличной пальмы содержит от 40 % до 50 % пальмового масла и 20 % волокна. Ядро плода пальмы содержит около 63 % масла. Процент содержания масла зависит от вида (сорта) дерева масличной пальмы. Существуют три вида масличных пальм: Elaeis guineensis –Varidura (D), Pisifera (P) и их гибрид tenera (T), плоды которого совсем не содержат масла.
Масличная пальма, или элаеис (Elaeis) – это род деревьев семейства пальмовых (Arecaceae), произрастающих в тропических областях Африки и Южной Америки. Родом из Африки, масличная пальма выращивается как культурное растение в Малайзии (44 %), Индонезии (36 %), Таиланде и других странах Азии. В Африке – Нигерия (6 %), Кот-д’Ивуар, Камерун – (1 %), Бенин, Гана (1 %) и Д. Р. Конго – (1 %). В Центральной и Южной Америке – Колумбия (2 %), Аргентина, Бразилия, Эквадор (1 %).[17].
В этих странах преобладают удовлетворительные погодно-климатические условия для возделывания масличных культур, в том числе масличной пальмы. То есть, в странах с благоприятным климатом, например, в Индонезии, Малайзии, Аргетине и Нигерии объем производства пальмовых масел значительно выше уровня его потребления. Температура воздуха в этой зоне изменяется от 24°C до 28°С. Много дождей в год (1500 мм – 3000 мм), длинная дождливая погода не менее 3 месяцев.
В Малайзии и Индонезии, где условия выращивания масличной пальмы являются идеальными – Элаис гвиненсис (Elaeis guineensis Jacq) может производить 10 – 35 т плодов с гектара. В некоторых тропических регионах Азии производительность зрелой масличной пальмы может достигать 45 тонн плодов с гектара в год. В тропических странах, где намного холоднее, по сравнению с другими тропическими странами, в Кении, например, урожайность масличной пальмы вида тенера (Tenera) более высокая, но этот вид производит очень мало плодов по сравнению с другими (4 т/га в год), однако хорошо адаптирован к местным климатическим условиям [9].
Род деревьев семейства пальмовые Elaeis состоит из трех видов: 1) Elaeis guineensis Jacq – Масличная пальма, или Африканская масличная пальма; 2) Элаеис Гвинеиский (Elaeis guineensis), родом из Африки, натурализована в странах Азии с тропическим климатом (Шри Ланка, Индия, Малайзия), а также на острове Мадагаскаре; 3) Elaeis Oleifera cortes – Американская масличная пальма, или элаеис масличный – вид, произрастающий в Южной Америке.
Пальмовые деревья начинают плодоносить после 5–6 лет и продолжают давать плоды в течение последующих 20 лет. Количество получаемого из плодов масла составляет 3,0-4,5 т/га, кроме этого дополнительно из ядер получают 0,45-3,0 т/га масла.
Сбор ПалМ на 1га почти в 10 раз выше, чем соевого. Большинство масличных культур являются однолетними, сбор урожая носит сезонный характер. Однако пальма плодоносит много лет, давая два урожая в год.
Средний урожай масличных пальм в Индонезии с гектара дает: – 3,2 тонны масла, 0,4 тонны ядрового масла и 0,42 тонны жмыха.
Пальмовое масло помогает развитию многих секторов сельского хозяйства и промышленности, например, защите лесов, в частности, путем сохранения лесов в речных районах и на крутых склонах, или путем установки боковых областей лесов высокой природоохранной ценности и биоразнообразия.
В состав ПалМ входят одиннадцать жирных кислот, среди которых наиболее представительными являются пальмитиновая, в среднем на 40 %, олеиновая – 38 %, линолевая – 10 %, стеариновая – 4 %, Температура воспламенения ПалМ составляет 260°С÷300°С, коксуемость – 1,3 %, йодное число–57, плотность при 21°С – 898 кг/м3, динамическая вязкость при 21°С – 88.6 спз, теплота сгорания – 39,54 мДж/кг. Но экологические системы происхождения могут влиять на состав и свойства сырья. Это было замечено в одной из лабораторий США в 1932 г. [7,16], где были проанализированы два вида ПалМ из разных экологических систем происхождения.
Один вид – из Суматры (Индонезия), а другой – из Нигерии (Африка). Первый вид масла показал содержание 6 % свободных жирных кислот, йодное число находилось между 10 и 18, плотность 0,913, содержание воды 1,7 %, а второй вид (нигерийский) содержал 45 % свободных жирных кислот и дополнительные компоненты по отношению к суматранскому образцу, глицериды, кислоты линоленовая и линолевая, йодное число оказалось между 126 и 134, плотность 0,905 и содержание воды 1,5 %.
В тропических областях Африки, Южной Америки и Азии эти растения показывают хорошую урожайность, что позволяет местному населению возделывать культуру масличной пальмы, создавать корпорации и инвестировать в посевные площади сельскохозяйственные и государство его поддерживает.
По мировой производительности пальмового масла на период 2010–2011 гг. составлял 47,9 млн. т при котором Индонезия производила 49%, Малайзия – 38 %, Тайланд – 2,5 %, Нигерия – 1,8 %, Колумбия – 1,5 %. Прогноз производства 2011–2012 гг. составлял 50,6 млн.т [18].
В структуре мирового потребления растительного масла, пальмовое масло является перспективным, поскольку оно доминирует на рынке промышленного масла как главное масличное сырье из тропических стран, также как рапсовое и подсолнечное масла доминируют на рынке масла в Европе, а соевое масло и животные жиры в США.
В прогнозах на 2035 г., пальмовое масло рассматривается как наиболее перспективное сырье для развития биоэнергетики и вызывает интерес как высокоэнергетический компонент, который способен компенсировать спрос на основное сырье по производству биодизельного топлива в странах Евросоюза и в мире, когда рапсовое, соевое и подсолнечное масла будут в недостаточной степени удовлетворять спрос при производстве биодизельного топлива на мировом рынке в том числе и по сравнению цен на разные виды масла (см. табл. 3).
Таблица 3. Сравнительная стоимость производства разных видов масла
| Масло | Стоимость (доллар/т) | Страна/регион |
| Пальмовое | Малайзия | |
| Соевое | США | |
| Рапсовое | Канада | |
| Рапсовое | Европа | |
| Подсолнечное | Россия |
С точки зрения экономии, пальмовое масло является более выгодным для промышленности, так как требует меньше затрат энергии и труда для получения одной тонны масла, по сравнению с такими сельскохозяйственными культурами, как соя и рапс.
Во-первых, масличная пальма выращивается по коммерческим причинам – производства пищевого масла. Во-вторых, она является наиболее продуктивным источником технических растительных масел. Отличием извлечения от оливкового, кокосового является то, что пальмовое масло извлекается и из мякоти плодов, и из семян. У плодов пальмы используют также семена, из которых получают пальмоядровое масло. Все масличные деревья дают более высокий урожай в относительно умеренном климате.
Уже более ста лет наблюдается интерес к пальмовым маслам, как виду топлива для дизельного двигателя. Это не новый или недавно возникший интерес, но это – периодически появляющийся интерес вследствие нефтяных кризисов, в условиях рынках, а также войн и их последствий. Известно то, что в Д. Р. Конго (Центральная Африка), при колонизации Бельгией несколько инженеров и техников использовали ПалМ как топливо уже в 1908 г. С возникновением экономического кризиса в 1930 г., в то время, как в Бельгии использовались гидроэлектростанции, торф, в Бельгийской колонии Конго для снижения стоимости энергии, кроме закупки энергоносителей из-за рубежа начали интенсивно использовать пальмовое масло. Это было первое массовое применение ПалМ в технике, которое позволило бельгийским инженерам и техникам стать пионерами в применении сырого ПалМ в качестве топлива для дизелей. В связи с тем, что экономический кризис конца 1920-х годов затянулся, было найдено множество методов использования ПМ в разнообразных смесях: смесь ПМ с метанолом, этанолом и также первая попытка реализовать крекинг ПМ в одной из лабораторий США в 1932 г.
По словам экспертов, пути разработки, исследования, внедрения альтернативных видов моторного топлива ненефтяного происхождения получили динамику развитияс началом нефтяного кризиса в 1973 г. Тогда несколько арабских государств приостановили поставку нефти в западную Европу.
Пальмовое масло (ПалМ) может быть использовано в качестве альтернативного топлива для дизелей. Однако, для его применения в чистом виде необходимо решение проблем, связанных с его прокачиваемостью по топливной системе и распыливанием, так как при температуре ниже 30°С оно теряет подвижность, поэтому целесообразно использование ПМ в смесях с дизельным топливом (ДТ) либо в виде сложных эфиров, получаемых при обработке этого масла этанолом или метанолом. Эти топлива имеют лучшие характеристики текучести и распыливания. Во время извлечения пальмовое масло имеет тенденцию терять качество при свободном контакте жирной кислоты с воздухом в течение первых двух часов.
Содержание олеиновой и линолевой кислоты определяет степень кислотности и его склонность к окислению.
Некоторые свойства ПалМ как топлива отличаются от свойств дизельного топлива и мазута (см. Табл. 2).
Низшая теплота сгорания ПМ ниже, чем ДТ, что объясняет заметное увеличение расхода масла, по сравнению с дизельным топливом. Плотность ПМ выше, следовательно, его расходуемая масса будет намного выше. Температура воспламенения также намного выше, чем у дизельного топлива, что вызывает значительные трудности при воспламенении на старте.
По сравнению с ДТ, у ПалМ имеется высокое цетановое число, небольшая доля серы, ароматических углеводородов типа полициклических значительно ниже, чем у ДТ и оно сохраняет более низкий остаток углерода.
Содержание кислорода оказывается обычно в большем количестве в ПМ, чем в ДТ (около 11 %), что благоприятно сказывается на экологических показателях. Это свойство ПалМ дает возможность использовать его в качестве антидымных присадок к дизельному топливу для снижения эмиссии в выхлопах дизелей.
Некоторые авторы исследований утверждают [1,2,3,14], что использование ПалМ в чистом виде в качестве топлива для дизелей повышает нагарооброзование – отложение кокса на распылителях форсунок и других деталях, образующих камеру сгорания. Увеличению нагарообразования способствует повышенная коксуемость в камере сгорания.
Недостатком ПалМ, используемого в качестве топлива для дизельных двигателей, является низкая температура застывания, обусловленная, главным образом, наличием в составе ненасыщенных жирных кислот.
Сложный состав ПалМ является причиной различий его физико-химических свойств с физико-химическими свойствами ДТ. Отличия физических свойств ПалМ и топлив на их основе от свойств стандартных дизельных топлив оказывает влияние на протекание рабочих процессов дизельных двигателей.
В первую очередь это относится к процессам топливоподачи и смесеобразования.
Эти процессы, в значительной степени определяются такими физическими свойствами топлива как плотность, вязкость, сжимаемость, поверхностное натяжение [1,2,3,14].
Главное преимущество ПалМ как биодизельного топлива в том, что его, как и любое другое масло, можно смешивать с дизельным топливом в любой пропорции и можно применять в дизелях без радикального изменения конструкции дизельного двигателя и инфраструктуры.
Что касается высокой вязкости ПалМ, ее можно уменьшить химическим способом переработки для использования в биодизельном топливе с помощью существующих методов: смешиванием, созданием микроэмульсии, пиролиза и трансэтерификации. Некоторые работы показывают, что смешивание 20–40 % порции ПМ с дизельным топливом дает хорошие результаты. Такое топливо влияет на ресурс двигателя в меньшей степени [1,2,3]. Для маркировки биодизельных топлив (БТ) и их смесей с чистым дизельным топливом в зарубежной технической литературе приняты условные обозначения, состоящие из букв и цифр. Например, В0 – буквы и цифры обозначают чистое дизельное топливо (ДТ), РВ10 – обозначает смесь – 10 % пальмового БТ и 90% чистого ДТ, РВJB5 – обозначает смесь топлива состаящего из 5 % пальмового БТ, 5 % ятрофового БТ и 90 % чистого ДТ.
Попытки использования пальмового масла в качестве топлива для ДВС предпринимаются в разных странах. В литературе описано много проведенных исследовательских работ, анализирующих производительность, воспламенение этого вида топлива (или смеси с дизельным топливом) и эмиссию дизелей при использовании ПалМ.
В 1987г. Супорн (Suporn), Малайзия, [20] успешно использовал дизельный двигатель марки Кubota модель KND 58, работающий с пальмовым маслом. Он обнаружил, что использование 100 % рафинированого пальмового масла в качестве топлива в таком двигателе дает хорошую мощность на выходной вал и качественные выбросы. При применении 70 % рафинированного пальмового масла в смеси с 25 % дизельного топлива обнаружился удовлетворительный удельный расход топлива.
Гумпон П. и Теерауат А. (Gumpon Р. et Teerawat A) [20] в 2003 г. в лаборатории университета Принца Сонгкла в Тайланде проводили сравнительные испытания двух дизельных двигателей KUBOTA ET80 (одноцилиндровый с разделенным смесеобразованием, максимальная мощность 5,88 кВт при 2200 мин-1) с использованием ДТ и рафинированного ПалМ в течение более 2000 часов непрерывной работы. При этом проводилось краткосрочное тестирование производительности для каждого топлива на динамометрическом испытательном стенде с определением удельного расхода топлива, температуры и дымности выхлопных газов. Также было сделано долгосрочное тестирование производительности (или испытание на выносливость) при работе двигателей под нагрузкой в сочетании с электрогенератором (75% максимальной нагрузки при 2200 мин-1). Через каждые 500 часов работы двигатели разбирались для проверки износа. Износ определялся путем взвешивания узлов до тестирования и после тестирования. Было установлено, что плунжерная пара и нагнетательный клапан обоих двигателей показали незначительные потери массы и после первых 500 часов и после вторых 500 часов наработки, впускной клапан двигателя, работавшего на ДТ, имел более высокую массу, чем двигатель подпитываемый рафинированным ПалМ и на первых 500 часах и на вторых 500 часах работы, компрессионные кольца двигателя, подпитываемого рафинированным ПалМ, показали значительную потерю массы по сравнению с двигателем, подпитываемым ДТ, как на первых 500 часах, так и на вторых 500 часах работы. В итоге, анализ результатов показал, что удельный расход топлива первого двигателя, работавшего на ДТ был на 14,2%…19,0% меньше, чем второго двигателя, работавшего на рафинированном ПалМ, дымность отработавших газов примерно одинакова, износ компрессионных колец был выше у второго двигателя, работавшего на рафинированном ПалМ
Бартелеми Циэх (Вarthelemy Thieux) [21] в 2004 анализировал возможность применения ПалМ в качестве альтернативного топлива для дизеля в одном африканском регионе, где урожай пальмовых плодов умеренный. При сравнении дизелей, работавших на ДТ и ПалМ, учитывались показатели мощности, крутящего момента, удельного расхода топлива, надежности, эмиссии ОГ, а также экономические аспекты эксплуатации самого двигателя по региону. При сравнительном анализе результатов испытаний было отмечено, что при работе дизеля на ПалМ заметны в основном большие отложения на компрессионных кольцах и впускных клапанах, эмиссия выбросов снизилась, а стоимость ПалМ оказалась также ниже стоимости ДТ на 60 %. Также было отмечено, что использование растительных масел в качестве топлива для дизелей позволит уменьшить энергетическую зависимость стран, не производящих ДТ. Это обстоятельство указывает путь развития будущего энергетики в странах – производителях растительных масел.
Рашид M. M. и др. (Rashid et al) [19] в 2015 исследовали работу дизеля с применением биотоплива на основе ПалМ (PB20), ятрофы (JB20) и метилового эфира морингового масла (MB20) по сравненнию с дизельным топливом. Полученные результаты показали что, понижение эффективной мощности составило 8,03 % для MB20, 6,92 % для PB20, 8,75 % для JB20 по сравнению B0. Повышение удельного эффективного расхода топлива составило 8,39 % для MB20, 7,15 % для JB20 и 5,42 % для PB20. Причина этого – в низкой теплотворной способности масел. Понижение выбросов СО: 22,93 % – MB20, 27,23 % – JB20 и 32,65 % – PB20. Это объясняется присутствием большего процента кислорода в масле. Понижение выбросов СН: 30,26% – PB20, 19,73 % – JB20, 11,84% – MB20. Это также объясняется более высоким содержанием кислорода, высоким цетановыми числами, а также высоким содержанием насыщенных жирных кислот. Повышение выбросов NOx: 6,91 % – PB20, 14,22 % – JB20 и 18,56 % – MB20. Это объясняется более ранним сгоранием биодизельных топлив и следовательно более высокой температурой в конце сгорания из-за более высоких цетановых чисел, а также более высоким содержанием кислорода в них. Анализ результатов также показал преимущество при использовании смеси с пальмовым маслом по всем показателям.
Калам и др. (Kalam et al) [18] в 2011 в своей работе проводили сравнительные исследования состава отработанных газов и эффективных показателей многоцилиндрового дизельного двигателя с раздельным смесеобразованием, работающего на смесевых биотопливах. Исследовались смеси пищевых отходов кокосового (СB5) и пальмового (РB5) масел с дизельным топливом в соотношении 5 % на 95% соответственно. При испытаниях в целях безопасности дизель работал при положении рычагов управления соответственно 85% полной нагрузки.
Результаты испытаний показали снижение эффективной мощности при использовании СB5 на 0,7 %, РB5 на 1,2 % по сравнению с дизельным, что объясняется их более низкой теплотворной способностью. Снижение выбросов СО по сравнению с дизельным топливом составило 7,3 % для СB5 и 21 % для РB5, снижение выбросов СН составило 23% для СB5 и 17 % для РB5. Результаты измерений эмиссии NOx оказались разнонаправленными. Так, при использовании СB5 выбросы NOx уменьшились на 1 % по сравнению с дизельным топливом, при использовании РB5 – увеличились на 2 %. Это объясняется тем, что пальмовое масло, содержащее 49 % ненасыщенных жирных кислот, быстрее реагирует с N2 и продуцирует больше NOx благодаря большому количеству реакций.
Бенжумея и др. (Benjumea et al) [14] в 2009 в рамках испытаний дизельных двигателей, в которых применяются ПалМ и их смеси, как альтернативное топливо для дизельных двигателей, наблюдали за следующими важными параметрами сгорания: момент впрыска топлива, давление газа в цилиндре, тепловое выделение, температура сгорания, производительность горения. В результате были обнаружены следующие характеристики сгорания пальмового масла – плохое качество воспламенения из-за невозможности качественного распыливания высоковязкого топлива. Для устранения указанного недостатка были предложены следующие методы: микроэмульсии, трансэтерефикация, изменение конструкции двигателя и топливной системы с предложением соответствующих схем.
Ндаищимие и Тазероут (Ndayishimiye and Tazerout) [11] в 2011 проводили исследование показателей и оценку состава отработавших газов одноцилиндрового дизеля с неразделенной камерой сгорания при использовании смесей сырого пальмового масла и подогретого пальмового масла и смесей пальмового биодизеля и дизельного топлива. При исследовании были обнаружены несколько более высокие значения удельного эффективного расхода топлива для всех тестируемых биотоплив по сравнению с чистым дизельным топливом. Эффективный КПД двигателя несколько возрастал при использовании смесей сырого пальмового масла, но уменьшался при использовании всех других тестируемых биотоплив. Выбросы CO и CH наиболее значительно уменьшились (на 30…65%) для пальмового биодизеля, хотя выбросы NOx возросли.
В 2012 Сонг и др. (Song et al.) [22] использовали чистое пальмовое масло и 20% смесь пальмового биодизеля и дизельного топлива (PB20) для определения выбросов NOx и исследования формирования сажи в 4-х цилиндровом дизельном двигателе средней мощности. В среднем, В100 имеет статиистически же выбросы NOx в качестве нефтяного дизельного топлива в то время как В20 имеет существнно более низкие выбросы оксида азота, чем любой из нефтяного дизельного топливва или В100. Кроме того, по показателям дымности отработавших газов,концентрации дыма из В20 выше,чем два других видов топлива.
Выводы
Спрос на нефть в мире продолжает увеличиваться, с этим связаны экологические проблемы. Между тем, на фоне истощения невозобновляемых природных энергоресурсов становится очень важным энергосбережение и применение альтернативных топлив. Это также актуально как с точки зрения соответствия дизелей современным экологическим требованиям, так и с точки зрения возможности для развития экономики стран-производителей альтернативных топлив, в т. ч. пальмового масла.
Из этого следует, что уже через несколько лет приоритетом для обеспечения э