книги / Применение присадок в топливах

Для выгрузки из бочек депрессорных присадок, представля­ ющих собой вязкие жидкости или гели, разработаны специальные устройства. Они выполнены в виде насадки из двух коаксиальных труб, ввинчивающейся в стандартную (60 мм) горловину бочки. По одной из труб подаётся горячая (70-80 °С) дизельная фракция с установки, размывающая присадку и уносящая её с собой по второй трубе в ёмкость. Процесс вымывания длится несколько минут, после чего бочку продувают азотом из технологической линии при избыточном давлении 0,03-0,05 МПа, освобождая от остатков присадки [184].

Применяя дозирующие насосы небольшой производительно­ сти, можно избежать стадии приготовления концентрата. Такая схема используется на АООТ «Ярославнефтеоргсинтез» [33]. В этом случае (рис. 92) присадка разогревается в специальной ёмкости и дозирующим насосом подаётся в один из компонентов топлива.

П ри перекачке по трубопроводам присадки могут зака­

чиваться в поток нефтепродукта. Это относится к антиржавейным присадкам и присадкам, улучшающим реологические свой­ ства нефтепродуктов.

Н а т ерм инале при отгрузке топлива присадка в расчётном

количестве может заливаться в пустую или частично заполненную цистерну. При дальнейшей закачке топлива происходит достаточ­ но эффективное смешение, которое продолжается и при транспор­ тировке. Однако надо учитывать, что присадки, как правило, тя­ желее топлива и опускаются на дно цистерны. С этой точки зрения желательно, чтобы разница между плотностью топлива и присад­ ки была сведена к минимуму. Потребитель может использовать и обратный процесс, когда присадка заливается в цистерну, запол­ ненную топливом, и перемешивается с ним при сливе топлива из цистерны.

Рис. 92. Принципиальная тех­ нологическая схема приготов­ ления зимнего дизельного топ­ лива с депрессорной присадкой на АООТ «Ярославнефтеоргсин­ тез» (из [153]):

1 - подогреваемая ёмкость с присадкой; 2 - дозирующий на­ сос; 3, 4 - промежуточные ре­ зервуары для компонентов; 5, 6 - насосы

I - прямогонный компонент топ­

лива; II - гидроочищенный ком­

понент топлива; III - гидроочищенный компонент топлива с присадкой; IV - товарное топливо

311

Запатентован [237] способ приготовления топлив в авто­ мобильных цистернах, соглас­ но которому в одном из отсеков цистерны приготавливается

концентрированный раствор присадки в топливе, который затем подаётся в поток топлива, циркулирующего через второй отсек. Топливо с присадкой из второго отсека анализируется, и по ре­ зультатам анализа регулируется подача присадки в топливо.

В автохозяйствах с централизованной заправкой автомоби­

лей введение присадки в топливо также может быть централизо­ ванным. Для этого оборудуется отдельная ёмкость, снабжённая контуром циркуляции (рис. 93). Иногда требуется, чтобы такая ёмкость имела обогрев. Например, введение депрессорной при­ садки в дизельное топливо должно осуществляться при темпе­ ратуре на 10-15 °С выше температуры помутнения (см. с. 234). Недостатком этого метода являются большие энергетические за­ траты, так как для полного перемешивания весь объём топлива должен быть пропущен через контур хотя бы один раз. Затраты многократно возрастают при подогреве топлива.

В результате дыхания на дне резервуаров со временем скапли­ вается подтоварная вода. Это необходимо иметь в виду, если в них изготавливаются и хранятся растворы присадок. Контакт с водой может приводить к вымыванию некоторых присадок из топлива. Кроме того, велика вероятность образования эмульсий воды и то­ плива.

Если в автохозяйстве имеется система предварительной под­ готовки дизельного топлива ДИТО [238], то присадка может вво­ диться при помощи этой системы - в ней предусмотрен узел ввода присадок.

П ри введении присадки в т опливный бак автомобиля сле­

дует обращать внимание на два обстоятельства. Во-первых, раз­ ница между вязкостью и плотностью присадки и топлива долж­ на быть минимальной. Обычно в розничную продажу поступают специально приготовленные препараты, представляющие собой сильно разбавленные растворы присадок в малой, иногда градуи­ рованной, таре. В противном случае нужно самостоятельно раз­ бавить присадку до требуемой кондиции небольшой частью топ­ лива.

312

Г л а в а 18

ДОБАВКА ВОДЫ К ТОПЛИВУ

Возможности. В течение многих десятилетий не

прекращаются попытки использовать эффект добавки воды в топ­ ливо. Основная цель, которая при этом преследуется, заключает­ ся в улучшении воспламеняемости и сгорания топлив, благодаря чему возможны снижение требований двигателя к ОЧ бензина, экономия топлива и уменьшение дымности и токсичности ОГ. Все эти цели и вправду достигаются, но дорогой ценой: использование воды сопровождается таким количеством отрицательных факто­ ров, что при имеющихся технических возможностях представля­ ется нецелесообразным. Единственным случаем, когда добавка воды к топливу безусловно себя оправдывает, является сжига­ ние котельных топлив.

Кроме того, в 1970-1980-е годы исследовалась возможность созда­ ния так называемых пожаробезопасных дизельных топлив для назем­ ной военной техники. Они представляли собой высокостабильные мик­ роэмульсии воды в дизельном топливе, нормально сгорающие в двигате­ ле, но не воспламеняющиеся при попадании снаряда в топливный бак. Микроэмульсии такого типа содержали большое количество ПАВ, дости­ гающее нескольких процентов (один процент ПАВ на каждый процент воды). Вследствие этого они были дороги и характеризовались рядом не­ достатков, например повышенным нагарообразованием. Гипотетически во время боевых действий их применение оправдывается стремлением сохранить людей и технику, но в народном хозяйстве они не нужны. По­ этому такое применение воды в топливе мы не рассматриваем. Как можно судить по немногим открытым публикациям, за рубежом эти работы про­ должаются и по сей день.

Несмотря на то, что использование воды в автомобильных топ­ ливах практического интереса в настоящее время не представляет, этой проблеме следует посвятить несколько страниц. Во-первых, ожидаемая выгода настолько заманчива, что новые изобретатели вновь и вновь повторяют одни и те же попытки, не подозревая о том, что было сделано раньше. Отрицательный опыт забывается быстрее положительного. С другой стороны, не исключено появ­ ление новых технических решений, которые сделают использова­ ние воды в топливе целесообразным.

314

В России систематические исследования добавки воды к топ­ ливу проводились в 1960-1970-е годы рядом отраслевых институ­ тов и автомобильных предприятий. Исследовались как впрыск воды в камеру сгорания, так и применение водотопливных эмуль­ сий (ВТЭ). В результате были выявлены основные преимущества и недостатки:

Топливо Преимущества Недостатки

АвтомобильСнижение антидетонационНеобходимость изменения конст­

ды, загрязнённой отходами нефтепродуктов

315

Авт омобильные бензины . Антидетонационный эффект при

добавлении воды в бензин объясняется снижением температуры в камере сгорания из-за поглощения тепла при нагреве и испарении воды, характеризующейся высокими значениями теплоёмкости и теплоты парообразования. Соответственно увеличивается продол­ жительность начальной фазы горения. Последнее обстоятельство равноценно увеличению угла опережения зажигания и теоретиче­ ски должно сопровождаться некоторой потерей экономичности двигателя, что иногда и наблюдается. Это плата за выигрыш в антидетонационных свойствах.

Специалисты [147] полагают, что эффект добавки воды к бен­ зину проявляется на двигателях, недоработанных по тепловому режиму. В случае современных двигателей добавка воды только ухудшает рабочий процесс.

Сведения о влиянии способа подачи воды в цилиндр противо­ речивы. Согласно одним источникам эффективное ОЧ бензинов в определённых пределах линейно зависит от количества воды и не зависит от способа её добавления: путём впрыска во впускную сис­ тему или в виде ВТЭ. Чем ниже ОЧ исходного бензина, тем ярче выражен эффект. На рис. 94 представлены результаты оценки ОЧ автомобильных бензинов на установке УИТ-65 при впрыске воды во впускной тракт [240]. Имеются и другие данные, по которым введение воды в топливо влияет на ОЧ гораздо более эффективно, чем добавка её к воздуху во впускной трубопровод (рис. 95) [241]. Как можно заметить, в лучшем случае на каждые 10 % воды при­ ходится 1,5-2,0 ед. дополнительного ОЧ. Таким образом, утечёт немало воды, пока бензин А-76 превратится в АИ-93.

Рис. 94. Эффект увеличения ОЧ бензинов при впрыске воды во впуск­ ной тракт:

1 -А-76 (м.м.); 2 - А-76 (и.м.); 3 - АИ-93 (и.м.)

Рис. 95. Влияние добавки воды к топливу (1) и к воздуху (2) на увели­ чение ОЧ бензина

316

-Г 40

Рис. 96. Зависимость дымности ОГ

(1) и удельного расхода топлива (2) при работе двигателя КамАЗ-740 на топливе Л (сплошная линия) и ВТЭ, содержащей 10 % воды (пунк­ тир), от нагрузки при частоте вра­ щения коленчатого вала 2600 м ин'1. Расход ВТЭ дан в пересчёте на чис­ тое топливо

Д изельны е топлива. Часто отмечают, что экономичность ди­

зельного двигателя при работе на ВТЭ увеличивается на 2-3 %. Это объясняется улучшением сгорания топлива. Однако эффект может и не проявиться, так как излишек воды уносит часть тепла, снижая тем самым термический КПД. Высказывалось мнение, что экономия топлива может иметь место только в двигателях с недвведённым рабочим процессом при долевых нагрузках. Зато экологический эффект от использования ВТЭ бесспорен и превы­ шает эффект, достигаемый другими путями, например при добав­ ке присадок. В общем случае дымность ОГ снижается на 30-50 %, эмиссия оксида углерода - на 20-30 %, а оксидов азота - на 40 - 50 %. Уменьшение образования оксидов азота объясняется сни­ жением температуры в камере сгорания. Но по этой же причине выбросы углеводородов не уменьшаются, а в отдельных случаях даже увеличиваются.

На рис. 96 представлены результаты стендовых испытаний полноразмерного двигателя КамАЗ-740. Можно заметить, что не­ которое повышение экономичности двигателя наблюдается лишь при высоких нагрузках, а на малых нагрузках и в режиме холо­ стого хода перерасход топлива составляет 2,5-6,0 %. Это харак­ терно для различных двигателей и объясняется, вероятно, позд­ ним началом сгорания ВТЭ (несколько градусов после ВМТ). По этой же причине максимальная скорость нарастания давления в цилиндре при работе на ВТЭ выше, чем при работе на чистом топ­ ливе. При больших нагрузках эффект от улучшения сгорания больше и может компенсировать ухудшение воспламеняемости.

Вероятно, поэтому же антидымный эффект ВТЭ заметно про­ является лишь на средних и больших нагрузках и может дости­ гать 30 %. Уменьшение содержания NOx в ОГ, напротив, наиболее значительно на малых нагрузках (рис. 97).

С увеличением содержания воды в ВТЭ антидымный эффект растёт, но ухудшаются её пусковые свойства. Поэтому в большин­ стве случаев рекомендовалось вводить в топливо не более 10 % воды.

317

Рис. 97. Зависимость дымности (а) и эмиссии NOx (б) от нагрузки при испытаниях ОЦУ двигателя ЗИЛ-645 на топливе Л (1) и ВТЭ, содер­ жащей 10 % (2) и 20 % (3) воды

Имеется несколько объяснений механизма улучшения сгора­ ния дизельных топлив в виде ВТЭ. Наиболее распространённая версия заключается в том, что испарение мелких капель воды в камере сгорания происходит настолько быстро, что носит взрыв­ ной характер. Микровзрывы улучшают диспергирование топлив и смесеобразование. Согласно другому объяснению вода участвует в газификации сажи, образующейся на начальных стадиях горе­ ния топлива. Наконец, отмечено, что дальнобойность струи ВТЭ больше, чем топлива. Благодаря этому ВТЭ попадает на противо­ положную стенку камеры сгорания, и на объёмное испарение на­ кладывается испарение в плёночном режиме.

Действие воды проявляется не только в улучшении сгорания топлива, но и в выгорании нагара (механизм газификации). Предлагались даже методы нагароочистки дизелей путём их рабо­ ты на ВТЭ на специальном стенде. Вследствие снижения сажеобразования на выхлопе уменьшается опасность износа и прогара выпускных клапанов.

Котельные т оплива. Всё, что сказано выше о достоинствах

ВТЭ на основе дизельных топлив, применимо и к котельным топ­ ливам. Кроме того, повышение полноты сгорания мазутов гаран­ тирует чистоту теплообменных поверхностей, особенно в секциях экономайзера. При недостаточно полном сгорании поверхности нагрева постепенно закоксовываются, причём чем хуже горение, тем больше органической части в отложениях. Приготовление ВТЭ на основе мазутов (ВМЭ) происходит проще, чем ВТЭ на основе светлых топлив, благодаря высокой вязкости мазутов и наличию в них большого количества природных ПАВ.

Возможности применения ВМЭ могут быть проиллюстриро­ ваны результатами промышленных испытаний на котлоагрегате

318

ДЕ-16-14 ГМ (котельная Пинской птицефабрики). На рис. 98 по­ казано влияние добавки 20 % воды на эмиссию оксидов углерода, серы и азота, а также сажи в зависимости от нагрузки котла (дав­ ление перед форсункой). Учитывая, что сама вода продуктов сго­ рания не образует, эти результаты сравнивать между собой следует, откорректировав их на содержание воды в ВМЭ (пунктир). Со­ гласно представленным результатам влияние добавки воды наи­ более сильно проявлялось на средних и больших нагрузках. При этом снижение выбросов СО (фактически - химический недожог) составляло 80-90 % отн., а сажи (механический недожог) - 2580 % отн. Отмечено также снижение выбросов оксидов серы, но это, вероятно, связано с её взаимодействием с водой и образовани­ ем сернистой и серной кислот, которые могут задерживаться на поверхностях нагрева. Что касается выбросов оксидов азота, то они увеличивались. Этот факт вступает в противоречие с хорошо извест­ ными данными, согласно которым при добавке воды к дизельным

Рис. 98. Эмиссия продуктов сгорания мазута 100 (1) и ВМЭ на его ос­ нове (2):

а, б и в - оксиды углерода, серы и азота; г - сажа. Пунктиром показана эмиссия, скорректированная на наличие воды в ВМЭ

319

топлив в двигателе основная масса оксидов азота представляет собой связанный азот воздуха. Добавка воды понижает темпера­ туру в камере сгорания и смещает реакцию окисления азота вле­ во, препятствуя образованию его оксидов. При сгорании мазутов наибольшую роль играет так называемый топливный азот из азотсодержащих соединений мазута. При сгорании он частично окисляется до молекулярного азота, частично - до оксидов, при­ чём оксидов образуется тем больше, чем лучше организован процесс горения. В результате улучшение сгорания мазута в ви­ де ВМЭ приводит к повышенной эмиссии оксидов азота1.

Улучшение сгорания мазута привело также к увеличению производительности котельной установки, в частности выра­ ботке пара на единицу количества топлива. На рис. 99 пред­ ставлена удельная паропроизводительность (давление пара - 1 МПа, температура - 184 °С) котла, работающего на мазуте марки 100 и ВМЭ. С учётом точности измерений можно заклю­ чить, что КПД котла по этому показателю при использовании ВМЭ увеличивается в пределах от 0 до 8 % в зависимости от нагрузки.

Отмечено также [242], что жаропроизводительность мазута при добавлении в него воды до 20-30 % почти не изменяется.

В литературе [243] сделана попытка обобщить все прямые и косвенные факторы экономии мазута при сгорании в виде ВМЭ. Подсчитано, что она может достигать 10 %, причём экономия от непосредственного увеличения полноты сгорания топлива, как и следовало ожидать, невелика и в лучшем случае может достигать 1 - 2% . Наибольшие возможности даёт уменьшение потерь тепла (улучшение теплообмена, снижение температуры уходящих газов, уменьшение коэффициента избытка воздуха и

т.д.):

1Интересно сравнить это наблюдение с материалами разд. 5.5 о вли­ янии катализаторов на горение мазутов.

320