Исследование свойств судового топлива с растительными композициями - Морские вести России

Исследование свойств судового топлива с растительными композициями

24.05.2017

Морской транспорт

Исследование свойств судового топлива с растительными композициями

Введение в последние годы международными организациями новых экологических норм и стандартов привело к широкому использованию на судах дистиллятных топлив (ДТ) с низким содержанием серы. Однако в процессе технологического удаления серных соединений в ДТ также удаляются поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые способствуют образованию смазывающих пленок на поверхности металла. При этом удаляются не только ПАВ, но и соединение серы, обладающее высокими противоизносными свойствами. Вследствие этого происходит повышенный износ прецизионных пар топливной аппаратуры судовых дизелей.

Aндрей Надежкин, профессор кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания ФГБОУ ВО МГУ им. адм. Г.И. Невельского

Лыу Куанг Хиеу, аспирант кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания ФГБОУ ВО МГУ им. адм. Г.И. Невельского

Как уменьшить износ топливной аппаратуры?

Экономичность и надежность судовых дизелей в значительной степени зависит от технического состояния топливной аппаратуры. Износ их деталей приводит к потере гидроплотности, снижению мощности судовых дизелей и перерасходу топлива. Поэтому необходимо найти способы улучшения противоизносных свойств судовых низкосернистых ДТ. Результаты испытаний показали, что добавление растительного масла в малосернистое судовое ДТ улучшает его смазывающую способность. Это обусловлено тем, что в химическом составе растительного масла содержится значительное количество органических ПАВ, в частности олеиновых кислот, которые способствуют созданию хемосорбционных пленок на поверхности металла в процессе трения, в результате чего уменьшается износ топливной аппаратуры.

В табл. 1 представлены физическо-химические показатели наиболее распространенных растительных масел.

Таблица 1. Физическо-химические показатели растительных масел

Наименование показателя

Соевое

Пальмовое масло

Рапсовое масло

Подсолнечное масло

Плотность при 20°С, кг/м3

924

943

916

923

Кинематическая вязкость при 40°С, сСт

31,2

105,99

42,1

30,7

Массовая доля серы, %

0

0

0,005

0

Кислотное число, мг КОН/г

0,003

2,59

4,46

2,14

Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С

243

224

255

243

Температура остывания, °С

–12

+30

-20

-16

Содержание, % (масс):

С

77,5

77,6

78,0

77,6

Н

11,5

12,0

10,0

11,5

О

11,0

11,4

12,0

10,9

Коксуемость 10%-ного остатка, % (масс)

0,44

-

0,4

0,51

Масло растительное

Анализ представленных данных физико-химических свойств растительных масел показывает, что в молекулах растительных масел содержится значительное количество атомов кислорода (около 10%). Это приводит к некоторому снижению их теплоты сгорания. Но одновременно это снижает и температуру их сгорания в дизельных двигателях, вследствие чего значительно улучшаются экологические свойства этих топлив. В исследованиях работы дизелей на растительных маслах отмечается снижение дымности отработавших газов и содержания в них продуктов неполного сгорания топлива. Большим достоинством топлив из растительных масел является практически полное отсутствие серы.

Температура вспышки всех масел, как следует из данных табл. 1, практически одинаковая и находится в пределах 224-255°С. Растительные масла при нормальных условиях представляют собой маслянистые жидкости с повышенными по сравнению с ДТ плотностью и кинематической вязкостью. Вязкость всех масел больше, чем вязкость ДТ, особенно высокий этот показатель у пальмового масла (ПМ). Кроме того, это масло отличается от остальных температурой застывания. Она составляет +30°C, в то же время, как у других растительных масел, она ниже 0°C. Вследствие этого использование пальмового масла как компонента смесевого топлива для судовых дизелей на территории России весьма затруднено, однако для стран Юго-Восточной Азии этот вопрос является актуальным.

Эксперимент по определению трибологических свойств смеси ДТ и растительных масел проводился на четырехшариковой машине трения. Результаты испытаний представлены на рис. 1.

Рис. 1. Влияние концентрации растительных масел в смеси на ДПИ

Как следует из полученных результатов (см. рис. 1), величина диаметра пятна износа (ДПИ) значительно уменьшается при добавлении любых растительных масел в ДТ. Особенно это проявляется при концентрации до 1%. C 3% массы ПМ уменьшение ДПИ уже не так значительно. Увеличение концентрации растительного масла более 3% оказывает слабое влияние на противоизносные свойства судовых ДТ. ДПИ практически не уменьшается.

В качестве объектов исследования выбраны судовое ДТ и пальмовое масло – наиболее распространенное растительное масло в Юго-Восточной Азии. Влияние смеси ДТ и пальмового масла на эксплуатационные показатели судовых дизелей мало изучено.

Жирные кислоты, являющиеся основным компонентом растительных масел, представляют собой высокомолекулярные кислородсодержащие соединения с углеводородным основанием. По своей химической структуре они схожи с углеводородами, входящими в состав нефтяного дизельного топлива. При добавлении ПМ в ДТ оно полностью растворяется, образуется стабильная коллоидная смесь. Фотографии проб смесевых топлив и исходного ДТ приведены на рис. 2. Как видно из фотографии, смесь судового дистиллятного топлива и растительного пальмового масла является устойчивой композицией, которая стабильна и не расслаивается в течение длительного времени.

Рис. 2. Смесь ДТ с 5% пальмового масла при температуре 25°С

1 – первый день после смешения; 2 – пятый день дней после смешения; 3 – вторая неделя после смешения; 4 – четвертая неделя после смешения

Лабораторные исследования трибологических свойств смесевых ДТ с пальмовым маслом показывают, что положительные результаты достигаются при концентрации ПМ до 5% массы. Поэтому были изготовлены лабораторные образцы смесевого топлива с концентрацией ПМ 1, 3, 5%. Детальные исследования их физико-химических свойств выполнены в учебно-научной испытательной лаборатории химмотологии МГУ им. адм. Г.И. Невельского (аттестат аккредитации №РОСС RU.0001.21HX56). В табл. 2 представлены результаты всесторонних исследований смесевых топлив.

Таблица 2. Физическо-химические свойства смеси ДТ и пальмового масла

Наименование показателя

ДТ

Пальмовое масло

1%

3%

5%

Плотность при 20°С, кг/м3

843

952

843

844,5

846

Кинематическая вязкость при 40°С, сСт

3,29

105,99

3,35

3,53

3,68

Массовая доля серы, %

0,232

0

0,223

0,212

0,210

Кислотное число, мг КОН/г

0

2,59

0,03

0,1

0,22

Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С

73

243

75

78

80

Фракционный состав:

Температура перегонки 10%

181

-

183

184

183

Температура перегонки 50%

271

-

271

274

274

Температура перегонки 95%

361

-

359

360

360

Коксуемость 10%-ного остатка, % (масс)

0,076

0,2458*

0,113

0,185

0,274

Зольность

0,0061

0,0287

0,0070

0,0067

0,0070

* Коксуемость пальмового масла

Смесевое топливо

Из полученных результатов следует, что у смесевого топлива с максимальной концентрацией ПМ 5% вязкость изменяется на 11,8%, с 3,29 до 3,68 сСт. Поэтому при работе судна в тропических широтах не требуется модернизация системы топливоподготовки путем установки дополнительных подогревателей.

Смолистые вещества, находящиеся в пальмовом масле, способствуют увеличению коксуемости смесевых топлив. При добавлении до 5% массы ПМ в судовое ДТ его коксуемость не выходит за границы значений, которые установлены требованиями стандартов на морские бункерные топлива ISO 8217-2012 и ГОСТ 32510-2013. По требованию стандартов коксуемость 10%-ного остатка судовых ДТ должна не превышать 0,3%, а коксуемость смесевых топлив достигает 0,274% при добавлении в них 5% ПМ по массе. Дальнейшее увеличение концентрации ПМ в составе смесевого топлива приводит к росту величины коксуемости и превышению значения этого показателя, установленного ограничением требованиям стандартов. По этой причине добавка ПМ в смесевое топливо в концентрации более 5-7% недопустима, так как в результате добавления такого количества ПМ в ДТ происходит повышенное нагарообразование, образуются отложения на форсунках и камере сгорания судовых дизелей.

Вторым показателем, лимитирующим концентрацию ПМ в составе смесевого топлива, является кислотное число (см. табл. 2). Повышенная кислотность топлив вызывает коррозию деталей системы топливоподачи и двигателя. Требованиями вышеуказанных стандартов величина этого показателя у судовых ДТ не должна превышать 0,5 мг КОН/г, в то время как у ПМ измеренное значение этого параметра составляет 2,59 мг КОН/г (см. табл. 2). При добавлении 5% ПМ значение кислотного числа у смесевого топлива значительно возрастает по сравнению с исходным ДТ и составляет 0,22 мг КОН/г.

Используя принцип аддитивности, нетрудно определить, что для данных образцов ДТ и ПМ предельная концентрация ПМ в смесевом топливе не должна превышать 15%. Однако если исходные кислотные числа компонентов смесевого топлива будут выше, то концентрация ПМ в составе композиции должна быть меньше. Для максимально допустимого значения кислотного числа у ПМ, равного 10 мг КОН/г, содержание в смесевом топливе ПМ не должно превышать 5%..

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что:

ПМ растворяется полностью в судовом ДТ и образует устойчивую и стабильную смесь в течение длительного времени.

Композиция ПМ улучшает трибологические характеристики судовых ДТ, когда концентрация ПМ находится в пределе от 1-3% массы. Увеличение концентрации ПМ более 3% практически не приводит к снижению величины ДПИ.

Увеличение количества ПМ в смесевом ДТ более 5% приводит к ухудшению таких физико-химических показателей, как коксуемость и кислотное число. В результате их значения превышают предельные уровни, установленные требованиями стандартов на судовое топливо. По этой причине, а также на основании выполненных исследований трибологических характеристик смесевых ДТ концентрация ПМ в составе такого топлива не рекомендуется более 3% масс.

Морской флот №4 (2016)

ПАО СКФ
Газпромбанк
Camco
МТ Групп
Специальный выпуск журнала Морской флот
Алюминий в судостроении
Круглый стол «Судовые ЛКМ и покрытия. Современный рынок и перспективы»
Международная научно-практическая конференция «Автономное судовождение: проблемы и решения (MASS-2021)»
6MX

Нас поздравляют

Газета Морские вести России 25 лет

Нас поздравляют

Журнал Морской флот 135 лет
Журнал Транспортное дело России
НЕВА-2021

08.09.2021

Морской транспорт

26.08.2021

Морской транспорт

10.08.2021

Морской транспорт