Приготовление и использование биотопливной композиции на основе рапсового масла

Введение. Особенности применения топлива на основе растительных масел зависят от способа производства и эксплуатационных свойств получаемого продукта. Основная проблема использования сырых масел связана с существенным отличием их физико-химических свойств от характеристики нефтяного дизельного топлива, а также с ухудшением технологических показателей при хранении (окисление, полимеризация, потеря товарного вида и т.д.). Решается эта проблема комплексно, начиная со стадии выбора сорта возделываемой культуры, включая определение способа и оптимизацию процесса производства растительного масла с заданными свойствами и заканчивая обоснованием методов приготовления и использования моторного топлива.

Одна из главных проблем при работе дизеля на рапсовом масле (РМ) или его смеси с дизельным топливом (ДТ) – повышенное количество углеродистых отложений на поверхности камеры сгорания и закоксовывание сопловых отверстий распылителей форсунок. Повышенные, по сравнению с ДТ, плотность и кинематическая вязкость способствуют увеличению дальнобойности топливного факела и диаметра капель распыленного топлива. Меньший коэффициент сжимаемости приводит к увеличению угла опережения впрыска и максимального давления в форсунке. Наблюдается повышенный износ деталей, разрушение лакокрасочных покрытий, забивание фильтров и т.д. [1].

Предотвратить повышенную агрессивность РМ можно путем нейтрализации раствором щелочи и отделения осадка. При взаимодействии с основаниями (реакция нейтрализации жирной кислоты), с окислами или с активными металлами водород карбоксильной группы жирной кислоты замещается на металл и образуются соли карбоновых кислот. Непосредственно сам химический процесс нейтрализации происходит практически мгновенно. Общая же скорость нейтрализации определяется скоростью протекания наиболее медленной стадии процесса, которой является диффузия молекул жирных кислот к межфазной поверхности, что происходит при отстаивании.

Чтобы ускорить протекание реакции нейтрализации РМ в сторону образования соли, количество гидроксида натрия или калия берут с некоторым избытком [2,3]. Однако при приготовлении моторного топлива на технологию нейтрализации накладывается ряд технических требований, лимитирующих концентрацию щелочи и температурный режим процесса.

Цель работы – дать оценку эффективности технологии приготовления и использования биотоплив-ной композиции на основе рапсового масла при работе сельскохозяйственных тракторов.

Задачи исследования:

• 1)    обосновать рациональные режимы процесса нейтрализации рапсового масла;

• 2)    выполнить энергетическую оценку технологии приготовления биотопливной композиции на основе нейтрализованного рапсового масла;

• 3)    дать оценку показателей технического уровня сельскохозяйственных тракторов при использовании биотопливной композиции на основе нейтрализованного рапсового масла.

Условия и методы исследования. Технологию производства и использования смесевого топлива (СТ н ) на основе РМ по существу можно разделить на три взаимосвязанные и последовательно выполняемые процесса:

• 1)    производство из семян растительного масла-сырца;

• 2)    нейтрализация масла-сырца и приготовление моторного топлива;

• 3)    использование (сжигание) моторного топлива в цилиндрах тракторного дизеля при его работе.

Совершенство и эффективность указанных процессов с позиций ресурсосбережения определяют, в конечном итоге, энергетический потенциал, экологичность и стоимость моторного топлива, которые формируют потенциальные возможности трактора в составе МТА через показатели производительности и надежности, затрат на выполнение технологического процесса и содержания вредных выбросов в отработавших газах (ОГ). Совокупность указанных показателей определяет технический уровень трактора.

На первом этапе проводилась оценка эффективности технологии обработки рапсового масла для использования в качестве основы моторного топлива.

Второй этап предусматривал реализацию моделей оценки эффективности адаптации тракторных дизелей со свободным впуском (Д-240 и Д-21А) к использованию биотопливных композиций на основе сырого (СТ) и нейтрализованного (СТ н ) рапсового масла в качестве моторного топлива.

На третьем этапе оценивался технический уровень тракторов МТЗ-82.1 и Т-25А при использовании указанных биотопливных композиций. В основу положены результаты сравнительных лабораторно-полевых испытаний тракторов на почвообработке и транспортных операциях.

Расчеты и получение параметрических моделей в виде уравнений и графической интерпретации данных производились с помощью составленных программ и приложений в Microsoft Office 2007 ( EXEL с приложением «Анализ данных»), Maple и Data Fit (version 9.059 Oacdale Engineering).

Результаты исследования и их анализ. По результатам планирования эксперимента (3²) в лабораторных условиях установлена зависимость выпавшего в осадок количества солей жирных кислот Y ( V СОЛ , %) от концентрации щелочи х 1 ( V КОН · 0,3/0,1,%) и температуры процесса нейтрализации х 2 [( t м –70)/10,^°С].

Принципиальная схема процесса получения солей жирных кислот РМ при избытке щелочи не менее 0,2–0,3% запишется в виде

RCOOH+KOH→RCOOK+H 2 O .

Адекватное уравнение регрессии, полученное математической обработкой результатов эксперимента, имеет следующий вид:

Y = 37,7+7,5·x 1 +(-27,59)·ln(x 2 )+4,55·ln(x 2 ) ² .

Графическая зависимость (рис. 1) изменения количества выпавшего в осадок солей, полученная по уравнению (2), показывает наиболее существенное влияние на его величину температуры процесса.

Рис. 1. Влияние температуры процесса и количества КОН на объем выпавшего осадка

При выходе из нейтрализатора-смесителя 94% нейтрализованного масла (РМ н ) и 6% осадка, оптимальное значение температуры процесса составляет 70°С, а объемное количество щелочи КОН - 0,3%. В этих условиях обеспечивается ярко выраженная граница разделения осветленной части суспензии и осадка. После полного протекания реакции и дальнейшего отстаивания осветления не наблюдается, что является особо важным с технологической позиции, применительно к данному виду топлива.

В таблице 1 приведены показатели технологической линии производства биотопливной композиции на основе нейтрализованного рапсового масла (70%РМ н +30%ДТ л ). В результате обработки 72,5 кг РМ количество осадка солей жирных кислот составило 4,35 кг, выход РМ н - 68,15 кг.

Таблица 1

Расход сырья и выход продукции технологической линии производства моторного топлива на основе РМн, кг/ч

Наименование показателя	Значение показателя
Производительность по биотопливной композиции (70 % РМ н + 30 % ДТ л ) при выходе РМ 29 % и кол-ве осадка до 6 %	До 97,71
Выход масла-сырца	72,50
Выход нейтрализованного масла	68,15
Выход жмыха	177,50
Выход осадка солей жирных кислот	4,35
Расход щелочи (КОН 20% )	0,275

Для разработанной технологической линии на базе шнекового пресса ПШ-250 полные удельные затраты на прессование семян, отнесенные к теплотворной способности сырого РМ ( Q РМ ), составили 41,200 МДж/кг, при его выходе К вых = 0,29 (табл. 2). Удельные затраты на нейтрализацию РМ (0,436 МДж/кг) определяются потребной мощностью используемого оборудования, расходом щелочи и выходом нейтрализованного масла РМ_н.

Таблица 2

Энергетические показатели технологии производства биотопливной композиции из семян рапса

Технологическая операция	Полные удельные затраты i -го процесса Э, МДж/кг	КПД i -го процесса п	Выход i -го продукта К вых	Энергосодержание, продукта Q н , МДж/кг
Прессование	41,200	0,909	(РМ) 0,29	37,450
Нейтрализация	0,436	0,958	(РМ н ) 0,273	37,868
Смешивание	1,438	0,990	(СТ н ) 0,383	39,292
Вся технология	43,074	0,862	0,383	39,292

На стадии смешивания 70% РМ н с 30% ДТ значение показателя энергосодержания биотопливной композиции (СТ н ) достигает 39,292 МДж/кг, а общий КПД поточно-технологической линии производства моторного топлива на основе РМ н ( п ээ ) равен 0,862 при выходе конечного продукта (смесевого топлива СТ н ) К вых =0,383.

Анализ образцов полученной биотопливной композиции (смеси нейтрализованного РМ н с ДТ в соотношении 0,7:0,3) показал снижение, за счет нейтрализации масла, вязкости на 15-20% в температурном диапазоне 25-75°С и плотности на 3%, т.е. с 865 до 845,5 кг/м³ при tCT H = 65°С.

По результатам планирования эксперимента (3²) в лабораторно-стендовых условиях получены значения цикловой подачи Y ( V ц , мг/цикл) в зависимости от давления начала впрыскивания х i [( Р впр , -18)/2, МПа] и температуры х 2 [( t т , -70)/20,⁰С].

Математическая обработка позволила получить численные значения коэффициентов адекватного уравнения регрессии

Vц=48,76 + 3,48x 1 + 0,39x 2 - 0,006x 1 x 2 + 0,092x 1² + -0,0024x 2² .

Полученное уравнение протабулировано в интервалах Р впр = 16–20 МПа и t Т , = 50–90^оС, что позволило определить графическую зависимость результативного признака оптимизации от факторов воздействия (рис. 2), которая показывает наиболее существенное влияние на цикловую подачу температуры СТ н .

Экстремальное значение цикловой подачи СТ н обеспечивается при давлении начала впрыскивания, соответствующем техническим требованиям (17,5 МПа) и температуре 65–70^оС. Указанное позволяет принять условие сохранения неизменной регулировки топливной аппаратуры тракторного дизеля.

Предварительно нагретое до 65–70^оС СТ н обеспечивает стабильную работу ТНВД. Номинальная цикловая подача топлива насосами НД-21/2 и 4УТНМ уменьшилась после нейтрализации РМ на 3–5%.

Эффективная работа дизеля обеспечивается предварительным подогревом СТ н до температуры 65– 70^оС, что достигается установкой теплообменного аппарата в линию низкого давления перед фильтром тонкой очистки (патент РФ № 2305791).

Vц, мг/цикл

61,0

60,5

60,0

59,5

59,0

58,5

58,0

57,5

57,0

56,5

56,0

55,5

Vц, мг/цикл 61,0 60,5 60,0 59,5 59,0 58,5 58,0 57,5 57,0 56,5 56,0 55,5

t: oc

Рис. 2. Влияние температуры и давления начала впрыскивания на цикловую подачу СТ н

Органолептическая оценка состояния резинотехнических изделий (РТИ) топливной аппаратуры при погружении в смесь сырого масла и дизельного топлива (СТ) показала, что в течение 72 ч произошло изменение их внешнего вида, размеров и структуры (появились отчетливо заметная их поверхностная разрых-ленность и отклонение до 30% от начальных размеров), что отсутствует у изделий, находившихся в образце биотопливной композиции (СТ н ) на основе нейтрализованного масла.

Указанное изменение размеров и структуры РТИ объясняется существенным снижением агрессивности биотопливной композиции на основе нейтрализованного масла.

Наработка на отказ (до замены РТИ) увеличилась при этом с 640 до 960 мото. ч., а относительный показатель надежности λ _н повысился с 0,65 до 1,0.

При использовании биотопливной композиции на основе РМ н происходит снижение на 3–4% эксплуатационной мощности и соответствующее увеличение удельного расхода топлива по сравнению с ДТ. Улучшение указанных показателей за счет нейтрализации составляет 3–4%.

Анализ дымности отработавших газов на режимах полной нагрузки (рис. 3), холостого хода и свободного ускорения показал, что применение СТ н уменьшает дымность отработавших газов на основных нагрузочно-скоростных режимах работы дизеля по регуляторной характеристике в 1,5 раза по сравнению с ДТ.

Рис. 3. Показатель дымности отработавших газов дизеля Д-21А на корректорной ветви регуляторной характеристики (режим полной нагрузки)

Это имеет существенное значение при работе трактора в закрытых животноводческих помещениях и теплицах. Использование при регрессионном анализе разработанных моделей [4] позволило получить зависимость комплексного показателя технического уровня по четырем относительным показателям в виде

АПТ = 0,030 + 0,383АП + 0,322AC1 + 0,175 Ан + 0,09 Аэ       (4)

По степени влияния на комплексный показатель технического уровня обобщенные показатели распределились следующим образом: производительность λ _П ; удельная стоимость процесса λ _сW ; надежность агрегатов топливной системы дизеля λ _н ; дымность отработавших газов. Достоверность и значимость коэффициентов уравнения регрессии подтверждена величиной коэффициента детерминации 0,86 при доверительной вероятности 0,9.

Действительные λ _П , рассчитанные по уравнению (4) и приведенные относительно λ _П на ДТ, значения комплексного показателя технического уровня λ _П ^о _Т представлены в таблице 3.

Показатель технического уровня тракторов на ДТ равен 0,910, что ниже экстремального (максимального) на 0,09 из-за высокой дымности отработавших газов ( λ э =0). Его значение на СТ при максимальнодопустимой стоимости λ =0,925 достигает 0,836, в основном из-за низкого показателя надежности СТ _max

λ _н =0,653. Наилучший показатель технического уровня λ _{П Т} =0,930 имеют тракторы на СТ н , что обусловлено наиболее высоким показателем экологичности λ _э =0,357.

Таблица 3

Показатели оценки технического уровня универсально-пропашных тракторов при использовании биотопливных композиций

Вид топлива	λ П	λ СТ W	λэ	λ н	λ П Т	о λ П Т
ДТ	1,0	1,0	0	1,0	0,910	1,00
СТ	0,920	1,0018	0,214	0,653	0,836	0,919
СТ н	0,968	0,988	0,357	1,0	0,930	1,022

Выводы

• 1.    По результатам анализа способов производства и применения биотоплива обоснована ресурсосберегающая технология обработки и использования РМ в качестве основы моторного топлива, включающая нейтрализацию жирных кислот с последующим смешиванием масла с ДТ в соотношении (0,7РМ н +0,3ДТ) по объему и подачу подогретой до 60–65°С биотопливной композиции СТ н в цилиндры без существенных конструктивных изменений в дизеле и неизменных регулировочных параметрах топливной аппаратуры.

• 2.    Полученные результаты стендовых испытаний позволили:

  – установить ресурсосберегающая циклическую технологию (патент РФ № 2393209) обработки рапсового масла 20% щелочью КОН для нейтрализации жирных кислот при выходе 94% РМ н и 6% солей жирных кислот: оптимальная температура процесса в нейтрализаторе-смесителе 70 °С, количество КОН – 0,3%, частота вращения лопастей мешалки – 60 мин^-1, продолжительность процесса – 5–7 мин при энергетическом КПД – 0, 958;

  – определить основные показатели качества биотопливной композиции на основе нейтрализованного рапсового масла (0,7 РМ н +0,3 ДТ л ), которые не значительно отличаются ( Q н =39,292 МДж/кг; ЦЧ =41; ρ 70 =845 кг/м³; ν 70 =7,5 сСт) от соответствующих показателей летнего дизельного топлива, что характеризует возможность ее эффективного использования в тракторных дизелях при подогреве до 60–70 °С без изменения регулировочных параметров и периодичности технического обслуживания дизельной топливной аппаратуры;

  – установить, что нейтрализация РМ обеспечивает улучшение энергетических и топливноэкономических показателей тракторных дизелей со свободным впуском на 3–4% при снижении дымности отработавших газов в 1,3–2,1 и повышение в 1,54 раза ресурса РТИ топливной системы.

• 3.    Результатами сравнительных лабораторно-полевых испытаний установлено, что использование предлагаемой биотопливной композиции в качестве моторного топлива обеспечивает наивысшее, по сравнению с полученным на ДТ, значение комплексного показателя технического уровня универсально-пропашных тракторов (0,930) за счет лучшего показателя экологичности при снижении производительности и топливной экономичности почвообрабатывающих и транспортных агрегатов соответственно на 3,0–3,4 и 3,2–3,9%.