Расширение ресурсов дизельных топлив применением добавок моноароматических углеводородов с присадками

В настоящее время топливно-энергетическая промышленность в нашей стране представляет собой крупные химические и нефтехимические комбинаты. Ее отличительные черты — огромное разнообразие продуктов получаемых в результате реакций синтеза, процессов разделения веществ и ряда других процессов. Крупные масштабы производства определяют широкое распространение весьма современных непрерывных и автоматизированных технологических процессов, оснащенных разнообразным высокопроизводительным оборудованием. Выпуск все новых продуктов, полученных при разработке новых реакций или каталитических систем, позволяет оценивать их с точки зрения применения в производстве топлив для двигателей внутреннего сгорания, что вызывается важной задачей экономии материальных ресурсов, повышения качества сырья для производства горючесмазочных материалов и охраны окружающей среды.

Экономия материальных ресурсов является движущей силой развития технологии производства двигателей внутреннего сгорания, производства топлив, моторных масел, технических жидкостей, конструкционных материалов, так как затраты на сырье и материалы составляют основную часть себестоимости продукции. В этом отношении основополагающую роль играет переход на более доступное и дешевое сырье, что обычно достигается в результате новых технологий, химических реакций и др. В отношении минерального сырья, постепенное исчерпание нефти рано или поздно должно привести к переходу на альтернативные топлива или с частичной заменой нефтяного топлива, в частности, дизельного, на компоненты не нефтяного происхождения. Это даст возможность увеличить время использования нефти как сырья для получения нефтепродуктов. Однако развитие альтернативных отраслей для производства заменителей нефти и нефтепродуктов потребует больших капиталовложений.

На современном этапе развития двигателестроения по-прежнему основным видом топлива для ДВС является нефтяное. Месторождения нефти располагаются в труднодоступных и малонаселенных районах России. Стоимость добычи и доставки нефти к местам переработки и потребления заметно повышается. С другой стороны, нефть является ценнейшим сырьем для производств нефтехимии и микробиологии. Непрерывный рост цен на нефтяные топлива и природный газ вследствие усиливающегося энергетического кризиса, стимулировал проведение многочисленных исследований всевозможных новых источников энергии. Актуальной задачей является сокращение использования нефтяных ресурсов в производстве топлив и замене их частично или полностью на другие виды сырья.

Актуальность темы

В настоящее время основными топливами для ДВС, включая дизели, являются топлива нефтяного происхождения. Однако, сырьевые ресурсы для производства таких топлив являются ограниченными и стоимость добычи, переработки, транспортировки таких топлив всё более возрастает. Уже в течение ряда лет в мире прогнозируется истощение нефтяных ресурсов в течение трёх десятков лет, хотя необходимость сохранения нефтяных запасов на более длительный период очевидна в связи с тем, нефть является важным сырьём для микробиологической, фармацевтической и химической промышленности. В связи с указанным, в мире ведутся исследования по разработке и применению в качестве топлив для тепловых энергетических установок и, в частности, для ДВС, различных нетрадиционных, альтернативных энергоносителей не нефтяного происхождения. Эти работы условно можно разделить на два важнейших направления. Первое — это разработка топлив из нетрадиционных сырьевых источников, применимых в глобальном масштабе, т. е. топлив, способных заменить нефтяные топлива в мировом масштабе. К таким топливам относятся газовые, прежде всего природный газ, синтетические топлива, производимые из газа, спиртовые топлива, синтезируемые из твёрдых топлив, а в перспективе — водород. В более далёкой перспективе прогнозируется применение в ДВС твёрдых, прежде всего угольных топлив в пылевидной форме или в виде топливно-угольных и водо-угольных суспензий.

Однако широкое применение таких топлив с целью сокращения потребления нефтяного сырья является сравнительно далёкой перспективой. Поэтому одновременно с такими работами ведутся работы второго направления — разработка нетрадиционных топлив, которые могут носить характер рентабельности, экономической или экологической целесообразности лишь в региональном, местном, локальном масштабе. Известны исследования по применению в качестве топлив для дизелей рапсового масла и его смесей с дизельным топливом (смесево топливо), по применению в ДВС спиртовых топлив — продуктов синтеза из отходов сельскохозяйственного производства, из зелёной массы и т. д. Известны исследования по применению подсолнечного масла в качестве добавки к топливу (в регионах с интенсивным производством подсолнечника), по применению кокосового, пальмового масла (в странах с соответствующими климатическими условиями) и т. д.

Одним из новых перспективных источников энергии является биомасса, которая по своему составу может быть углеродосодержащей (растительный материал, древесная щепа, опилки, морские водоросли, зерно, бумага) или сахаросодержащей (сахарная свекла, сахарный тросник, сорго). Естественно, что за счет энергии и топлив, получаемых из биомассы, нельзя полностью удовлетворить энергетические потребности промышленно развитых стран, однако даже та небольшая доля энергии (порядка 6−10%), которая может быть покрыта за счет биомассы, заслуживает внимания. Особенно важное значение имеет тот факт, что биомасса в отличие от ископаемых источников энергии — нефти, природного газа и угля — представляет собой возобнавляющийся источник энергии, и при правильной организации ее производства и сбора доля энергии и топлив, получаемых из биомассы, может существенно возрасти.

Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются практически во всех регионах земного шара и почти в каждом из них может быть налажено производство энергии и топлив из биомассы. Россия обладает огромными лесными массивами и огромными запасами древесины. Потенциал её переработки, включая различные химические производства, непрерывно нарастает. Всё это создаёт условия для накопления древесных отходов, загрязняющих окружающую среду, и не всегда находящих применение в народном хозяйстве. Известные попытки производить топливо для ДВС из древесных отходов путём генерирования из них горючих газов осложняются ограничением на допустимую влажность такого сырья, а практическая реализация достигнутых результатов ограничивается необходимостью существенной перестройки двигателей. В то же время очевидно, что для региональных масштабов, в зонах интенсивной лесопереработки, отходы таких производств необходимо утилизировать, и желательно включить в баланс производимых энергоносителей.

Известно производство из древесины, прежде всего хвойных пород, ароматических углеводородов типа кумола и п-цимола для нужд химической и проч. промышленности. В указанных региональных масштабах избытки этих продуктов, отходы таких производств целесообразно использовать в качестве энергоносителей, как с целью стабилизации топливно — энергетического баланса, так и с целью защиты окружающей среды от загрязнения указанными веществами.

В предлагаемой работе для расширения ресурсов дизельных топлив рассматриваются новые ароматические углеводороды, пара-цимол (п-цимол) и кумол бензольного ряда, производимые из сульфитного скипидара, образующегося при получении сульфитной целлюлозы из древесины хвойных пород в деревообрабатывающей промышленности, в качестве добавки к дизельному топливу.

Целью работы является разработка дизельного топлива, содержащего продукты переработки древесины (прежде всего хвойных пород), типа п-цимола и кумола.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи.

• Провести анализ физико — химических и моторных свойств моноароматических углеводородов типа цимола и кумола и их смесей с дизельным топливом, с целью прогнозирования возможности их применения в качестве топлива для дизелей.

• Исследовать саму возможность и особенности работы на таких топливах дизелей существующей конструкции без их существенной модернизации или перерегулировки.

• Разработать рекомендации по приемлемому составу такого топлива, оценив возможности экономии нефтяных ресурсов, а также экологические, мощностные и экономические качества работы дизелей на таких топливах.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выбран дизель 8ЧН130/140 (ЯМ3238Б) автотранспортного назначения, имеющий широкое применение в условиях лесоразработок и предприятий по переработке древесины.

Методика исследования включает как теоретические анализы моторных свойств разрабатываемых топлив, так и экспериментальные моторные исследования.

Научная новизна. Теоретически обоснована принципиальная возможность применения лёгких моноароматических углеводородов бензольного ряда (ЛАУБ) (типа п-цимола и кумола), продуктов переработки древесины хвойных пород, в качестве добавки к основному дизельному топливу. Экспериментально показано, что добавка ЛАУБ к дизельному топливу в количестве более 20% массовых не сопровождается существенным повышением токсичности выбросов по основным нормируемым компонентам о.г., но приводит к чрезмерному возрастанию выброса твёрдых частиц (ТЧ), что ограничивает возможности замещения дизельного топлива указанным веществом. Экспериментально подтверждено, что добавка к смесевому топливу присадки Ва[Мп (С2Н50Н)2(Н20)2]С12 снижает содержание ТЧ в отработавших газах, что позволяет повысить содержание ЛАУБ в топливе до 30%. Экспериментально подтверждена возможность создания и применения в качестве дизельного смесевого (композитного) топлива, содержащего основное дизельное топливо с 30% добавки ЛАУБ и (0,05)% присадки Ва[Мп (С2Н50Н)2(Н20)2]С12.

Практическая ценность. Локальное, региональное (в зонах лесоразработок и лесопереработок) применение смесевого топлива разработанного состава позволяет заместить до 30% дизельного нефтяного топлива лёгкими моноароматическими углеводородами, типа (п-цимола и кумола), не нефтяного происхождения с добавкой присадки к смесевому топливу на основе Ва и Мп, что важно как для ресурсосбережения, снижения транспортных расходов на доставку топлива, так и для защиты окружающей среды отходами лесопереработки. Дизель типа ЯМЭ-238Б без специальных перерегулировок может использовать предложенное смесевое топливо без потерь экономичности и мощности с допустимым (для зон с неограниченным воздухообменом) уровнем выбросов токсичных компонентов, включая твёрдые частицы.

Внедрение. Результаты работы переданы в ГУП — НИЦИАМТ для использования в НИОКР. А также применяются в учебном процессе РУДН при подготовке магистерских и кандидатских диссертаций.

Апробация. Результаты работы докладывались на техническом совете лаборатории ДВС ГУП — НИЦИАМ г. Дмитров-7, на научнотехнических конференциях РУДН в 1996, 1998 и 1999 годах, а также на междунарождной научно — технической конференции «Совершенствование быстроходных ДВС» в Алтайском Государственном техническом университете в 1999 году.

Анализ исследований показал, что в настоящее время ведутся работы по созданию нетрадиционных не нефтяных топлив для использования их как в глобальном мастабе, так и в региональном, локальном масштабе. К последним можно отнести топлива растительного происхождения (рапсовое масло, соевое, подсолнечное масло, спирты — продукты перегонки из зелёной массы — отходов сельскохозяйственного производства и т. д.), продукты газификации, например, твёрдых топлив, различные газы, прежде всего биогаз, и проч. Разработка альтернативных топлив имеет цель, как экономию нефтяного сырья, энергоресурсов, так и решение экологических проблем, включая уменьшение загрязнения окружающей среды отходами различных промышленных производств. В числе таких отходов могут быть продукты переработки древесины, например, различные ароматические углеводороды типа п-цимола и кумола. Эти вещества относятся к гомологам бензола и по своим моторным характеристикам являются хорошим компонентом дизельного топлива. Они обладают еще одним достоинством — растворяются в дизельном топливе в неограниченных количествах, смесевое топливо является стабильным. Являясь растворителем, п-цимол и кумол способны растворять в себе любые углеводороды и кислородосодержащие вещества. Применение смесевого топлива осуществляется подачей его в камеру сгорания совместно с присадками с помощью штатной топливной системы. Дизель работает стабильно, показатели рабочего процесса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В результате проведенной работы могут быть сделаны следующие выводы:

1. Теоретически обоснована принципиальная возможность применения лёгких моноароматических углеводородов бензольного ряда (ЛАУБ) (типа п-цимола и кумола), продуктов переработки древесины хвойных пород, в качестве добавки к основному дизельному топливу.

2. Разработано композитное (смесевое) топливо, содержащее основное дизельное топливо с добавкой 30% лёгких моноароматических углеводородов бензольного ряда (ЛАУБ) и с присадкой 0,05% ВаЕМп^НзОНННгО^СЬ.

3. Экспериментально показано, что добавка ЛАУБ к дизельному топливу в количестве не более 20% не сопровождается существенным повышением токсичности выбросов по основным нормируемым компонентам о.г., но приводит к чрезмерному возрастанию (в пределах 44%) выброса твёрдых частиц (ТЧ), что ограничивает возможности замещения дизельного топлива указанным веществом.

4. Экспериментально подтверждено, что добавка к смесевому топливу присадки Ва[Мп (С2Н50Н)2(Н20)2]С12 снижает содержание.

ТЧ в отработавших газах, что позволяет повысить содержание ЛАУБ в топливе до 30%.

5. Экспериментально на установке с дизелем 8ЧН130/140 (ЯМЗ-23 8Б) подтверждена возможность применения смесевого (композитного) топлива, содержащего основное дизельное топливо с 30% добавки ЛАУБ и 0,05%) присадки Ва[Мп (С2Н50Н)2(Н20)2]С12.

6. Локальное, региональное (в зонах лесоразработок и лесопереработок) применение смесевого топлива разработанного состава позволяет заместить до 30% дизельного нефтяного топлива лёгкими моноароматическими углеводородами, что важно как для ресурсосбережения, снижения транспортных расходов на доставку топлива, так и для защиты окружающей среды отходами лесопереработки.

7. Дизель типа ЯМЭ-238Б без специальных перерегулировок может использовать предложенное смесевое топливо без потерь экономичности и мощности с допустимым (для зон с неограниченным воздухообменом) уровнем выбросов токсичных компонентов, включая твёрдые частицы.