ВОДНО-ЭМУЛЬСИОННЫЕ ТОПЛИВА
В водно-топливных эмульсиях добавка воды изменяет состав отработавших газов. Он улучшается благодаря значительному снижению окислов азота, практически, полному устранению дымления и уменьшению молекулярной массы отработавших газов.
Характеристики большинства применяемых в настоящее время топлив уже не удовлетворяют постоянно возрастающим требованиям по их пожарной опасности и содержанию вредных примесей в отработавших газах. Рост экологических требований к топливам ведет к росту затрат на нефтепереработку, т. е. к росту цен на топливо.
Среди альтернативных вариантов решения этой задачи сегодня рассматриваются разработка новых типов двигателей и переход на альтернативные виды топлив, например, на основе водорода или спирта. Исследуются и способы с использованием водосодержащих топлив [1]. Главным потенциальным преимуществом такого подхода можно назвать его универсальность, которая проявляется в возможности:
- одновременно улучшить топливно-экономические и экологические характеристики;
- применимости ко всем видам жидких топлив;
- адаптации водосодержащих топлив, практически, для всех типов двигателей и энергетических установок.
В водно-топливных эмульсиях добавка воды изменяет состав отработавших газов. Он улучшается благодаря значительному снижению окислов азота, практически, полному устранению дымления и уменьшению молекулярной массы отработавших газов.
В своем подходе к разработке практичной и доступной для автотранспортных предприятий технологии приготовления водно-топливных эмульсий (ВТЭ) мы ориентировались на механические диспергаторы и усовершенствовали их с целью создания компактного, надежного и высокопроизводительного оборудования, а также синтеза поверхностно активных веществ (ПАВ), обеспечивающих формирование стабильных эмульсионных систем для основных видов топлив.
Качество эмульсии в значительной степени определяется методом ее получения. В основе механизма формирования эмульсии лежит дробление жидкой фазы с одновременной стабилизацией образующейся структуры с помощью ПАВ. При этом ПАВ должно оказывать минимальное влияние на рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания (ДВС), не давать нагар и быть дешевым и доступным.
Как известно, водно-топливные эмульсии в зависимости от применяемых ПАВ могут быть двух типов: прямые и обратные. В прямых ВТЭ дисперсионной средой является вода, а в обратных – топливо.
ВТЭ обратного типа имеют лучшие эксплуатационные характеристики. Их вязкость незначительно отличается от вязкости исходного топлива, они оказывают меньшее отрицательное влияние на систему топливоподачи. Примером ВТЭ такого типа с оптимальными эксплуатационными характеристиками являются эмульсии на основе тяжелых топлив, например, мазута М-100, которые даже без использования ПАВ сохраняют стабильность до нескольких месяцев.
К сожалению, на данный момент времени решение проблемы устойчивости ВТЭ обратного типа на основе светлых топлив является сложной технической задачей. Ограничен ассортимент ПАВ, позволяющих получать стабильные эмульсии. Полученные в настоящее время эмульсии обратного типа агрегативно устойчивы, но при длительном хранении происходит перераспределение капель воды по высоте столба эмульсии. Однако даже по истечении одного года с момента приготовления ВТЭ достаточно обычного перемешивания или взбалтывания для восстановления первоначального состояния системы.
В последние годы нами была предпринята попытка улучшить эксплуатационные характеристики эмульсий. С учетом полученной ранее информации были синтезированы новые ПАВ. ПАВ типа АМДМ представляют собой неионогенные маслорастворимые вещества, гидрофильная часть которых содержит гидроксильные и амидные группы.
ПАВ типа АМФОРА – новый тип маслорастворимых ПАВ, впервые синтезированных нами специально для обратных эмульсий. Принципиальной отличительной особенностью их является то, что в процессе направленного синтеза образуется равновесная смесь традиционных неионогенных ПАВ (малополярных) и маслорастворимых ионогенных ПАВ (более полярных). Изменяя соотношение компонентов при синтезе, можно регулировать относительные количества неионогенных и ионогенных ПАВ, получаемых в смеси, а, следовательно, общую степень полярности АМФОРЫ.
При переходе от АМФОРЫ-2 к АМФОРЕ-5 общая степень полярности снижается, а эмульгирующая способность проходит через ярко выраженный максимум при использовании АМФОРЫ-3. АМФОРА-3, АМФОРА-3ФА и АМФОРА-3Я различаются тем, что при синтезе использовались разные по строению химические соединения, но из одного класса веществ. В результате проведенных исследований показано, что наилучшим на настоящий момент следует признать ПАВ АМФОРА-3,позволяющий получить эмульсию воды в дизельном топливе стабильную в течение, по крайней мере, двух месяцев. Результаты исследований приведены в табл. 1. Рецептура всех композиций одинаковая – 78,5% дизельного топлива, 1,5% ПАВ и 20% воды.
Таблица 1.
Результаты лабораторных испытаний обратных эмульсийна основе дизельного топлива
№ п/п | Наименование ПАВ | Результаты испытаний |
| 1 | АМДМ-95 | Через 10 дней осветление верхней части. Через месяц – 2 эмульсии с нечеткой границей. Через 4 месяца 2 слоя – топливо и эмульсия. При перемешивании восстанавливается. |
| 2 | АМДМ-150 | Через 10 дней осветление верхней части меньше чем в п. 1. Через 4 месяца как в п.1. |
| 3 | АМФОРА-2 | Через 2 часа начало расслоения. Через сутки выделилась вода. |
| 4 | АМФОРА-3 | Через 2 месяца без изменений. Через 4 месяца – начало осветления верхней части. |
| 5 | АМФОРА-4 | Через 2 месяца без изменений. Через 4 месяца 3 слоя с нечеткими границами – топливо и 2 эмульсии. |
| 6 | АМФОРА-5 | Через месяц – начало осветления верхней части. Через 4 месяца 2слоя – топливо и эмульсия с нечеткой границей. |
| 7 | АМФОРА-3-ФА | Через 5 суток расслоение на 2 эмульсии с нечеткой границей; 20 дней – 2 слоя: топливо и эмульсия. Через месяц – при перемешивании восстанавливается. Через 4 месяца как в п.1. |
| 8 | АМФОРА-4-ФА | Через 5 суток расслоение на 3 слоя. Верхний – топливо. Через две недели 2 слоя: топливо и эмульсия. Через месяц при перемешивании восстанавливается. Через 4 месяца как в п.1. |
| 9 | АМФОРА-5,57-ФА | Через 5суток 2 слоя – топливо и эмульсия. Через месяц при перемешивании восстанавливается. Через 4 месяца как в п.1. |
| 10 | ММ-1-ДМЭА-1 | Через две недели без изменений. Через месяц начало осветления верхней части. Через 4 месяца как в п.5. |
| 11 | АМФОРА-3Я | Через 10 дней без изменений. Через 2 месяца осветление верхней части. |
Надежное функционирование системы приготовления и подачи ВТЭ требует наличия системы контроля и регулирования влагосодержания композиции. Из множества рассмотренных вариантов наше внимание привлек диэлькометрический метод, основанный на определении диэлектрических характеристик эмульсии. Проведенные исследования показали достаточно хорошую воспроизводимость этого метода контроля влагосодержания (параметров вводно-топливной эмульсии) в различных условиях эксплуатации.
На рис. 1 показана установка ВКГ для приготовления водно-топливной эмульсии (со встроенным диэлькометрическим датчиком контроля влажности водно-топливной эмульсии). Производительность установки до 150 л/час.
Разработанная технология и оборудование позволяют расширить диапазон рецептур топлив для энергетических установок за счет введения компонентов и присадок нерастворимых в углеводородных составляющих топлив.
При использовании ВТЭ обратного типа на основе светлых топлив обычно ПАВ вводится в горючее, что не всегда удобно при применении эмульсий в реальных условиях. По нашему мнению необходим новый подход к формированию ВТЭ такого типа. Для этого ПАВ вводится не в горючее, а в воду, в виде коллоидной системы. С этой целью в воду одновременно с ПАВ добавляется небольшое количество органических спиртов, которые не только способствуют образованию стабильной системы ПАВ в воде, но и одновременно снижают температуру замерзания воды.
Исследование применимости ВТЭ к различным энергетическим установкам проводилось совместно с ОАО ЦНИТА (Санкт-Петербург), Военной академией тыла и транспорта (ВАТТ), Балтийским морским пароходством (БМП) и другими организациями.
Ниже приводятся результаты стендовых испытаний дизельного двигателя воздушного охлаждения Д21А1 (2Ч10,5/12,0) с исходными регулировками топливоподачи: Θвпр = 24 град п.к.в. до ВМТ; Рф = 17,5 МПа).
В табл. 2 приведена процедура испытаний двигателя в соответствии с требованиями Правил № 49 Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН), а в табл. 3 – примененная газоаналитическая аппаратура.
Таблица 2
Режимы испытаний двигателя в соответствии с Правилами № 49 ЕЭК ООН
Испытания по 13-ти режимному нагрузочному циклу | |||
| № реж. | Частота вращения кол. вала | %нагрузкиот полной | Коэффициент «массы» |
| Правила №49 ЕЭК ООН | |||
| 1 | n мин х/х | 0 | 0,25/3 |
| 2 | n Mмакс | 2 | 0,08 |
| 3 | n Mмакс | 25 | 0,08 |
| 4 | n Mмакс | 50 | 0,08 |
| 5 | n Mмакс | 75 | 0,08 |
| 6 | n Mмакс | 100 | 0,25 |
| 7 | n мин х/х | 0 | 0,25/3 |
| 8 | n ном | 100 | 0,1 |
| 9 | n ном | 75 | 0,02 |
| 10 | n ном | 50 | 0,02 |
| 11 | n ном | 25 | 0,02 |
| 12 | n ном | 2 | 0,02 |
| 13 | n мин х/х | 0 | 0,25/3 |
Таблица 3
Газоаналитическая аппаратура и погрешность измерения показателей токсичности и дымности отработавших газов
| № п/п | Измеряемый компонент | Марка прибора | Методизмерения | Диапазонизмерения | Погрешность измерения |
| 1 | Окись углерода (СО) | ГС АСГА-Т | оптико-акустический | 0-1 об.% | 5% |
| 2 | Сумма углеводородов (СН) | ГС АСГА-Т | плазменно-ионизационный | 0-2 об.% | 5% |
| 3 | Диоксид углерода (СО2) | ГС АСГА-Т | оптико-акустический | 0-15 об.% | 5% |
| 4 | Окислы азота (NОх) | ГС АСГА-Т | хемилюминесцентный | 0-0,5об.%0-0,1об.% | 15%15% |
| 5 | Дымность ОГ | МК-3 "Hartridg" | абсорбционный | 0-100 % | 2,5 |
В табл. 4, на рис. 2 и 3 представлены результаты сравнительных испытаний работы дизеля Д21А1 на дизельном топливе и водно-топливной эмульсии.
Таблица 4
Экологические характеристики дизеля Д21А1 (водно-топливная эмульсия: дизельное топливо + 30% Н2О по массе)
№ реж. | NОх, млн-1 | К, % | ||
| ДТ | ВТЭ | ДТ | ВТЭ | |
| 1 | 290 | 145 | 4 | 2 |
| 2 | 460 | 138 | 8 | 2,5 |
| 3 | 490 | 140 | 13 | 3,5 |
| 4 | 930 | 393 | 18 | 5,5 |
| 5 | 1310 | 695 | 24 | 8,5 |
| 6 | 1570 | 755 | 57 | 25 |
| 7 | 600 | 125 | 4 | 2 |
| 8 | 1000 | 507 | 40 | 8 |
| 9 | 900 | 430 | 29 | 4 |
| 10 | 750 | 320 | 12 | 3 |
| 11 | 400 | 142 | 10 | 2,5 |
| 12 | 360 | 107 | 8 | 2,5 |
| 13 | 320 | 105 | 4 | 2 |
Рис. 2. Диаграмма сравнительных испытаний эффективности ВТЭ
по содержанию в отработавших газах оксидов азота
Рис. 3. Диаграмма сравнительных испытаний эффективности ВТЭ
по содержанию в отработавших газах дымового аэрозоля
Для практического использования эмульсий на реальных энергетических установках в последующем потребуется разработка универсальной технологии приготовления с использованием автоматического ввода необходимых компонентов по заданной программе.
Литература
Ложкин В.Н., Пименов Ю.А., Сафиуллин Р.Н., Акодес А.А. Улучшение экологических показателей автомобильных дизелей путем применения водотопливных эмульсий / Информационный бюллетень №2 (32): «Вопросы охраны атмосферы от загрязнения», НПК «Атмосфера» при ГГО им. А. И. Воейкова, СПб., 2005. – С. 67-76.
В.Н. Ложкин, Б.В. Гавкалюк, – СПб Институт ГПС МЧС России,
Ю.А. Пименов, А.Ю. Акодес, Н.Л. Ефимова, А.С. Мазур,
СПб. Государственный технологический институт (технический университет)
Источник: ГСМ
C текущей ситуацией и прогнозом развития российского рынка горюче-смазочных материалов можно познакомиться в отчетах Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков:
«Рынок автомобильных бензинов в России»
«Рынок нефтяных битумов в России».