<a href="/node/173">завод1</a> <a href="/node/188">Econcar</a>

Новая наша статья "Нетрадицонный подход к улучшению топлив"

 

Статья :      "Нетрадиционный подход к улучшению топлив в Материалах форума":

 

 

 оао «газпром нефть»

санкт-петербургский научный центр ран международная Академия Прикладных ИсследованийТехнологическая платформа «Глубокая переработка углеводородных ресурсов»

      

I   САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ МЕЖДУНАРОДНЫЙ ФОРУМ


 
 ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ГОРЮЧИХ И СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

СБОРНИК

ТРУДОВ ФОРУМА

 

(24-25 сентября 2013 г.)

 

 

Санкт-Петербург

«Международная Академия Прикладных Исследований»

 

2013

 

 

 

 

Нетрадицонный подход к улучшению топлив

                                     Д. Н.  Андрианов, Обновление, г.  Москва

В.Н. Скобелев, СПбТИ, г. Санкт- Петербург

В.В. Сердюк, Д.В. Сердюк, Л.А. Ашкинази, МАПИ, г. Санкт-Петербург

       На 1 января 2013 года в России произведено автомобильных бензинов 38186.8 тыс.т., дизельного топлива 69291 тыс.т. На внутреннем рынке ежегодно реализуется примерно 30000 тыс.т. автомобильного бензина, 55000 тыс.т. дизельного топлива.

Количество автотранспорта зарегистрированного на территории РФ, составляет:

      легковых автомобилей: более 50.5 млн.шт., из них старше 10 лет более 49.9%, при этом   примерно 25% автомобилей отвечают нормам по токсичности отработанных газов Евро3 и выше;

      грузовых автомобилей и автобусов:  около 6  млн.шт. из них старше 10 лет более 75%, при этом не более 15% автомобилей отвечают нормам по токсичности Евро3 и выше.

     Учитывая данные по потребляемым нефтепродуктам и автотранспорту, можно приблизительно подсчитать количество вредных веществ ежегодно выбрасываемых в атмосферу:

     Оксид углерода (CO)                                                                   – 1,7 млн. тонн

     Оксиды азота (NOx)                                                                     – 2,5 млн. тонн

     Оксиды серы (SO2)                                                                      – 0,5 млн. тонн

     Углеводороды (CH)                                                                     – 2,2 млн. тонн

     Альдегиды  включая бенз(а)перен                                             – 0,4 млн. тонн

     Сажа (твёрдые частицы)                                                              – 1 млн. тонн. 

     Учитывая, что Технический регламент на автотранспортные средства не ограничивает время эксплуатации устаревших автомобилей с уровнем токсичности Евро-0, Евро-1 и Евро-2, а Технический регламент на топливо строго регламентирует ввод топлив уровня Евро-4 и Евро-5 экологическая обстановка будет повсеместно ухудшаться. Многочисленные стендовые и эксплуатационные испытания старой техники на современном топливе, превосходящем ее по экологическим требованиям, показали, что применение более экологически чистых топлив с классическими моющими присадками на менее экологичном двигателе не приводит к снижению вредных веществ в отработавших газах. а зачастую даже увеличивают их. При этом сильно возрастает износ дизельных двигателей из-за низкого содержания серы в топливе, т.к. сернистые соединения выполняют так же функцию противоизносных   присадок

С другой стороны, задержка по введению экологических стандартов на топливо и качество топлива в целом, сильно беспокоит отечественных производителей автомобилей, так как они привлекли кредиты для приведения к соответствию выпускаемой продукции новым экологическим стандартам. Ведь эксплуатация автомобиля соответствующего, например экологическому стандарту Евро-5, на топливе Евро-2 приведёт к быстрому выходу из строя дорогостоящей системы нейтрализации газов и другим поломкам, а так же уменьшению ресурса двигателя.

Такая неблагоприятная ситуация с качеством топлива в России, не позволяет ведущим мировым автомобильным концернам экспортировать в Россию, грузовые и легковые автомобили с современными, экономичными двигателями, в том числе дизельными, широко распространенными в Европе  из-за их экономичности по сравнению с бензиновыми.

Для устранения нагаров   на впускных клапанах применяются так называемые моющие присадки - высокомолекулярные соединения полибутенамина и полиэфирамина, которые не полностью сгорают и   образуют нагары в камере сгорания и постепенно ухудшают состав отработавших газов. Кроме того, традиционные моющие присадки оказывают свое положительное действие по очистке впускных клапанов только через длительное время.  

Для устранения этих недостатков и практически мгновенной (порядка 1 часа работы двигателя, пробега порядка 70 км)  очистки камеры сгорания, газовыхлопного тракта, свечей зажигания и форсунок соответствующих двигателей предложены модифицированные присадки, содержащие катализаторы горения топлив.

То есть, из этой ситуации есть простой и эффективный выход, опирающийся на фундаментальные разработки  учёных в области горения и взрыва. Улучшить свойства топлива можно не только путем изменения их физико-химических свойств, но учитывая, что топлива предназначены для сжигания, можно заставить топлива гореть по-новому.

Положительного результата можно достичь меньшими усилиями - не меняя состав топлива, а заставляя топливо сгорать более полно  с меньшими выбросами вредных веществ с отработавшими газами, что обеспечивает соблюдение всех норм «ЕВРО» по выбросам. Для этих целей уже давно применяют различные катализаторы, ускоряющие те или иные химические процессы, происходящие в камере сгорания двигателя

На разных этапах развития техники внимание разработчиков обращалось к присадкам, позволяющим полностью или частично решить возникающие проблемы [1 - 2]. Наибольший интерес представляет новый класс присадок, а именно - катализаторы горения.

Катализаторы горения предназначены для снижения энергии активации реакций окисления, происходящих в камере сгорания ДВС. Следствием снижения энергии активации является возможность проведения процесса окисления горючего и обеспечения полноты его сгорания при более низких температурах. Понижение температуры в камере сгорания приводит к уменьшению максимального давления в ней и, следовательно, к снижению жесткости работы двигателя, а также к уменьшению выбросов вредных веществ с отработавшими газами [3], при этом общий КПД увеличивается.

Известно, чем выше температура воспламенения горючего, тем меньше скорость его горения, катализаторы горения увеличивают скорость горения таких топлив [4]. При прочих равных условиях ускоряющее действие катализатора будет тем больше, чем медленнее протекает некатализируемый процесс горения. Следовательно, наибольшее действие катализаторы будут оказывать на горение высококипящих углеводородов топлива [4], т.е. процесс догорания топлив.

      Нами  рассматривается и осуществлено ведение процесса сгорания топлива путем применения нанокатализаторов, которые образуются непосредственно в предпламенных процессах.   Именно образование нанокатализаторов в предпламенных процессах и позволяет реализовать процесс действия их на структуру и химический состав топлива, находящегося в камере сгорания при температурах предпламенных процессов.

    В России к применению в составе дизельных топлив и автомобильных бензинов допущены соответственно многофункциональные каталитические присадки «0010» и «0011», представляющие собой комплекс элементорганических соединений (ТУ 0257-010-48958014-98 и ТУ 0257-011-48958014-98). На базе указанных присадок получены более совершенные современные присадки МАПИ-0010 и МАПИ-0011, обладающие некоторыми свойствами, превосходящими исходные присадки «0010» и «0011» выпускаемые по СТО63007115-003-2009 и СТО 63007115-001-2009 соответственно.

Большим преимуществом предлагаемых присадок является введение в их состав веществ, которые в камере сгорания образуют наночастицы с развитой активной поверхностью и проявляют каталитический эффект - изменяя скорость и полноту сгорания топлив. Новый тип присадок не только убирает отрицательное влияние высокомолекулярных добавок, но также позволяют проводить сжигание топлива практически до конца, что является актуальным при использовании некачественных и суррогатных топлив. Применение таких присадок с катализатором горения топлива позволяет улучшить экологию, за счет организации более полного сгорания топлива, что автоматически влечет за собой увеличение КПД и улучшает другие показатели работы двигателя.

Катализаторы горения являются зольными присадками, однако концентрация металла содержащегося в них и, соответственно, в топливе ничтожна. Так, например, концентрация каталитических присадок «0010» и «0011» в дизельных топливах и бензинах составляет 0,01%. Содержание органических солей металла в таком количестве присадки менее 1% от общего содержания присадки. Суммарное количество ионов металла, вносимое в камеру сгорания с присадкой, составляет примерно 1 грамм на 50 тыс. л топлива или, примерно, на 500 тыс. км пробега автомобиля, что явно ниже концентрации естественных примесей в топливе, которая достигает 5-6 ppm. При этом основная масса металла, входящего в состав катализатора горения, выносится с отработавшими газами.

Для гарантированного выноса из камеры сгорания такого ничтожно малого количества металла в присадках «0010» и «0011» дополнительно в составе присадок предусмотрен выноситель в концентрации, обеспечивающей содержание камеры сгорания и свечей зажигания в чистоте [5 - 6].

     Новые многофункциональные каталитические присадки к дизельному топливу МАПИ-0010 и автомобильному бензину МАПИ-0011 являются ресурсо- и энергосберегающими с ярко выраженным моющим и экологическим эффектом.

Присадка МАПИ-0010 может применяться в дизельном топливе для автотранспорта, на судах, стационарных дизель электростанциях, в двигателях тепловозов, и другой дизельной технике, а так же в составе жидких топлив (печного, мазута) используемых в энергетике.

      Присадка МАПИ-0011 может применяться во всех типах автомобильных бензинов, в том числе оксигенатных.

      В Петербурге топлива с данными присадки реализует Петербургская топливная компания на протяжении 15 лет на   своих АЗС. В Новосибирске с данными присадками выпускается топливо УЛЬТРА с начала 2010 г. Так же данные присадки используют несколько мини НПЗ для улучшения потребительских качеств производимого топлива. Присадки (катализаторы горения) применяются в концентрации 0,01%, не изменяют физико-химические свойства базового топлива, но обеспечивают улучшение процесса его горения, переводя топливо в новый экологический класс по выбросам, соответствующий выполнению норм ЕВРО-3, ЕВРО-4 и выше. Таким образом, требования норм Евро по содержанию вредных веществ в отработанных газах автотранспорта могут быть достигнуты с помощью присадок, пока не закончена дорогостоящая модернизация существующих НПЗ.

Многофункциональные каталитические присадки серии «0010» и «0011» и присадки последнего поколения к дизельному топливу и мазуту МАПИ-0010 и автомобильному бензину МАПИ-0011 и топлив на их основе на протяжении более 30

 лет прошли целую серию стендовых и эксплуатационных испытаний и подтвердили свой положительный эффект.

Катализаторы горения по-разному действуют на сгорание бензинов и дизельных топлив [7], что объясняется разным составом топлив и состоянием горючей смеси в камере сгорания. При добавление катализатора горения в топливо ускоряются процессы окисления, что приводит в дизельном двигателе к более полному сгоранию тяжелых остаточных фракций в основной фазе сгорания и снижению доли топлива, сгорающего в фазе догорания. Это приводит к уменьшению удельного расхода топлива [8]. В присутствии катализаторов горения на последней стадии процесса происходит догорание топлива практически до конца, что приводит к более высокому давлению на поршень в заключительной стадии его движения к НМТ. Это подтверждается диаграммами рабочего процесса двигателя [3]. Кроме того продолжительность сгорания топлива снижается, а продолжительность выгорания 1/2 топлива – увеличивается. Это означает, что в целом топливо сгорает быстрее, хотя и снижается максимальная скорость сгорания топлива. Т.е. на стадии начала горения катализатор тормозит скорость окисления топлива, а на второй при догорании за фронтом пламени ускоряет процесс горения и делает его более полным. В результате двигатель начинает работать «мягче», что снижает напряженность деталей ЦПГ и увеличивает ресурс двигателя.

Предполагается, что в бензиновом двигателе работа на топливе с катализатором горения приводит к более углубленному пиролизу неиспарившейся части топлива, т.к. сгореть эта часть топлива не может из-за недостатка кислорода, вызванного тем, что бензиновый двигатель работает с коэффициентом избытка воздуха близким к единице.

Катализаторы горения способствуют уменьшению нагрузки на каталитические нейтрализаторы и сажевые фильтры, так как происходит более полное сгорание топлива и количество вредных веществ в отработавших газах существенно снижается в зависимости от марки автомобиля, его состояния и качества исходного топлива.

Какие эффекты могут быть достигнуты в случае массового применения в составе топлив катализаторов горения?

Экология

Учитывая средние показатели по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу, в результате применения в составе топлив катализаторов горения можно прогнозировать снижение вредных выбросов на следующее количество в год:

      Оксид  углерода (CO)                                – до 1.44 млн. тонн (уменьшение до 85%)

      Оксиды азота (NOx)                                  – до 1,25 млн. тонн (уменьшение до 50%)

      Оксиды серы (SOx)                                    – до 0,37 млн. тонн (уменьшение до 75%)

      Углеводороды (CH)                                   – до 1,54 млн. тонн (уменьшение до 70%)

      Альдегиды и бенз(а)пирены                     – до 0,20 млн. тонн (уменьшение до 50%)

      Сажа (твёрдые частицы)                           – до 0,10 млн. тонн (уменьшение до 90%).

 

Ресурс техники

Для примера   был взят автомобиль КАМАЗ 56132. Экономия при применении дизельного топлива с присадкой МАПИ-0010 за счет уменьшения износа основных узлов и агрегатов двигателя и увеличения их срока службы составляет 10515,88 рублей в год. Если взять получившуюся в результате экономии сумму за основу и перемножить на количество грузовых автомобилей и автобусов зарегистрированных на территории РФ, то мы получим ориентировочную годовую экономию 63 млрд. рублей. При этом очевидно, что стоимость ремонта и запасных частей на технику иностранного производства существенно выше. Так же увеличение межремонтного периода приводит к снижению вынужденных простоев во время ремонта и затрат труда на его проведение. Таким образом минимальная дополнительная экономия только от уменьшение затрат на ремонт грузовой техники и автобусов  резко увеличится.

     Катализаторы горения являются своеобразным маркером, т.е. добавленные в товарное топливо на НПЗ или нефтебазах в необходимой концентрации, они в заданной концентрации должны присутствовать и на нефтебазе или АЗС, где заправляется потребитель топлива.

Нами разработана методика определения наличия катализаторов горения в топливе.   В случае уменьшения концентрации или отсутствия катализаторов горения в топливе можно утверждать, что товарное топливо либо разбавлено другими нефтепродуктами, либо произведено нелегально, без уплаты Акциза. Сложность технологии и 30 летний опыт производства и реализации катализаторов горения  позволяют утверждать, что данные присадки являются эксклюзивными.

В последнее время в РФ произошёл достаточно ощутимый рост цен на топливо, который по некоторым прогнозам будет продолжаться, что несомненно вызывает обеспокоенность граждан. При этом качество топлива во многих регионах не улучшилось. На этом фоне заметны усилия крупных нефтяных компаний в улучшении этой ситуации. Многие компании выпускают топлива с улучшенными характеристиками под своими брендами, используя для этого присадки импортного производства, при этом стоимость такого топлива ощутимо выше по сравнению с обычным топливом.

Массовое применение катализаторов горения в автомобильных топливах даст практически мгновенный экологический эффект, особенно в крупных городах. Например, если одновременно на АЗС   начать продажу топлива с катализаторами горения, то уже через день (несколько дней) выброс вредных веществ от автотранспорта уменьшится минимум на 50%.   Несомненно, такое резкое снижение вредных выбросов отмечают водители.   Это   заметно по следующим признакам: улучшение динамики автомобиля, мягкости работы двигателя, снижении расхода топлива. Эти утверждения основаны на многочисленных испытаниях и отзывах водителей в течении 30 лет с момента начала выпуска катализаторов горения.

Увеличение стоимости топлива при этом составит всего около 10 копеек на 1 литр топлива, что составляет около 0,3% от розничных цен на топливо.

Мировая практика показывает, что с добавлением присадок нефтетрейдеры выпускают новые брендовые топлива собственного производства, розничная реализация  (прокачка) которых увеличивается примерно на 15% [9].

Комплексное улучшение свойств топлив за счет моющих присадок легло в основу создания в России топливных брендов: «Ultimate» (BP), «Экто» (ЛУКОЙЛ), «V-Power» (Shell), «Futura» (Neste), «Green Eco» ( Альянс) и др.   [10].

  Испытания [11]  подтверждают высокую способность присадок Keropur 3430 N, Keropur 3458 N, HITEC 6430 и АлькорАВТО поддерживать чистоту карбюратора и впускных клапанов, в то же время их добавление в бензины приводит к увеличению количества нагара в камере сгорания двигателя. Необходимо отметить, что все современные моющие присадки представляют собой высокомолекулярные соединения в композиции с маслом-носителем и, обладая хорошими моющими свойствами, приводят к возрастанию нагара в камере сгорания.

Депрессорные присадки также увеличивают количество нагаров в камере сгорания. В этом случае добавление в такое топливо катализаторов горения очищает камеру сгорания и не позволяет нагарам образовываться [8].

При современном стремлении к переходу на альтернативные топлива, содержащие спирты и биотоплива наблюдается ухудшение сгорания топлива, но в присутствии наших катализаторов горения нагары не образуются и КПД увеличивается.

    Производство каталитических присадок предусматривает возможность поставок продукции зарубежным потребителям, т.к. уже на стадии экспериментального производства показали хорошие результаты в Сирии. В Эстонии производится топливо «DIO» с добавлением присадок 0011.

На территории Украины, решением №395 от 13.07.2007 г. Минтопэнерго страны эти присадки   допущены к применению при производстве автомобильных бензинов и дизельного топлива.

В результате проведённых маркетинговых исследований, и анализа рынка топливных присадок, можно утверждать, что у катализаторов горения МАПИ-0010 и МАПИ-0011 есть неоспоримые конкурентные преимущества, такие как высокая эффективность по сравнению с самыми современными присадками     производимыми в Европе и Америке (эти страны считаются лидерами в данной отрасли). При этом иностранные присадки по всем характеристикам уступают данному типу присадок. Проводимые переговоры показывают, что большой интерес к присадкам проявляется в таких странах как Вьетнам, Сирия, Китай, Афганистан, Пакистан, Индия, где наблюдается активная смена старого автопарка на современную технику, а используемое автомобильное топливо сравнительно низкого качества.

Во всем цивилизованном мире стараются закрепить использование присадок к топливу законодательно. Например, в США с 1995 года использование моющих присадок обязательно во всех автомобильных бензинах. В Европе пока не принят закон, обязывающий добавлять моющие присадки в бензин, но, тем не менее, более 90% продаваемого там топлива их уже содержит. Это достигается за счет предъявляемых экологических требований, для выполнения которых просто необходимо добавлять в топливо моющие присадки. В Китае моющие присадки пока обязательны лишь в крупных городах, но планы предусматривают перевод всего китайского рынка на топливо с присадками уже в ближайшем будущем. Так же, тем или иным образом, применение моющих присадок регламентировано и в других азиатских странах, а также в Латинской Америке.

Мы предлагаем пойти по пути США и Китая, сначала обязать продавцов топлива в крупных городах через экологические комитеты добавлять в топливо катализаторы горения, а, параллельно, разработать изменения в Технический регламент «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту», обязать продавцов топлива добавлять катализаторы горения в состав всех топлив предназначенных для внутреннего потребления, кроме реактивных.

           Перечень организации, проводивших испытания присадок МАПИ-0010 и МАПИ-0011 и результаты испытаний представлен в работах [12-13].

           Ниже приведены    данные по действию  многофункциональных каталитических присадок  МАПИ-0010 и  МАПИ-0011 на процесс горения топлив и ее влияние на работу  двигателей внутреннего сгорания, при концентрация присадки  0.01%:                                                              

 

        - снижение отложений на впускных и выпускных  клапанах, в камере сгорания, газовыхлопном тракте,   удаляет с камеры сгорания нагары, асфальтены, смолы, металлы  (при постоянном применении  присадки поверхности остаются чистыми), очищает свечи зажигания и форсунки;

   - снижение выбросов вредных веществ (данные приведены выше);

   - снижение удельного расхода топлива до 7% и до 17% для спортивных бензинов;

   - повышение КПД двигателя до 8%;

   - повышение крутящего момента до 5%;

   - увеличение срока службы деталей камеры сгорания до 70%,     поршневых колец  в 1.5 – 3 раза;

   - уменьшает температуру в камере сгорания на 100 – 200 градусов;

   - изменяет рабочий процесс двигателя, увеличивая   общую площадь индикаторной диаграммы за счет догорания высококомолекулярной составляющей топлива;  

   -  продлевает срок  службы катализаторов дожига, регенерирует катализаторы дожига.  

    Производство отечественное, безотходное и безвредное.

Выводы:

       Улучшить топлива нетрадиционным способом для применения их в качестве горючего возможно путем изменения процесса их (сжигания) сгорания в присутствии катализаторов горения. Катализаторы горения не изменяют физико-химические свойства топлива, а работают только в предпламенных процессах как нанокатализаторы.  Применение катализаторов горения топлив позволяет быстро решить проблему уменьшения  вредных выбросов с отработавшими газами автотранспортной техники, судовых и энергетических установок, продлить сроки их службы, межремонтного периода,   получить  экономию топлива и увеличить розничную продажу горючего путем создания брендовых топлив.  

 

Литература

1. Данилов А.М. Нефть России, 2006, №12, с. 66-70.

2. Данилов А.М. Сборник трудов IV Международной научно-практической конференции «Новые топлива с присадками», Санкт-Петербург, 30 мая - 2 июня, 2006. - СПб: Академия прикладных исследований, 2006. - С. 11-18.

3. Скобелев В.Н., Мельников В.А., Агафонов Д.Ю., Сердюк Д.В., Ашкинази Л.А. Сборник трудов II Международной научно-практической конференции «Новые топлива с присадками», Санкт-Петербург, 18-21 июня, 2002.  СПб: Академия прикладных исследований, 2002.  С. 300-309.

4. Шадловский А.А. Основы пиротехники. -М: Машиностроение, 1973. - 320 с.

5. Орджоникидзе С.К., Федотов Н.Г., Шейнин М.Г. // Физика горения и взрыва. 1987. Т. 23. № 4. С. 60-64.

6. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. - М.: Мир, 2005. - 288 с., ил.

7. Сердюк В.В., Сердюк Д.В., Ашкинази Л.А., Шмялина А.Ю. Сборник научных трудов Постояннодействующего научно-технического семинара стран СНГ «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей».21-23 апреля 2000 г. Санкт-Петербургский государственный аграрный университет. -  СПб: СПГАУ, 2000. -  С. 85.

8. Пименов Ю.М., Волгин С.Н., Сердюк Д.В. Ашкинази Л.А. Закономерности влияния металлосодержащей присадки на склонность дизельного топлива к образованию высокотемпературных отложений. - Сборник трудов Международной научно-практической конференции «Новые топлива с присадками». - СПб: Академия прикладных исследований, 2000. - С. 130-136.

9.  Данилов А.М.  Сборник трудов VII Международной научно-практической конференции «Новые горючие и смазочные материалы с присадками». - СПб: Международная академия прикладных исследований, 2012. - С. 3-17.

10.  Павлов Д., ЗАО «БАСФ». Нефтегазовая вертикаль, №6, 2009 г.

11. Никитина Е.А,    Емельянов В.Е,   Манаенков В.М. Бакалейник, A.M. Алексеева С.И.  Журнал «Мир Нефтепродуктов» №1, 2007.

     12. Скобелев В.Н., Сердюк В.В., Сердюк Д.В., Ашкинази Л.А., Химическая промышленность, т. 88, №6, 2011 г. с. 309-324.