Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
The use of hydrogen as a fuel has demonstrated a significant environmental advantage in the absence of harmful substances in the exhaust gases of marine diesel engines. However, current research is mainly focused on using hydrogen either in its pure form or as an additive to incoming air. The possibility of using gaseous hydrogen-containing additives directly to diesel fuel has been studied. An experimental installation designed to produce hydrogen from diesel fuel using a cavitation process has been developed, constructed and successfully tested. An experimental setup for producing hydrogen additives in diesel distillate fuel is described. To carry out the process of fuel gasification, a cavitation process using a rotary pulsation apparatus was used. The principle of operation of two centrifugal stages is applied to overcome the cavitation barrier. A chromatographic analysis of the resulting gas mixture was performed, and the physico-chemical properties of the fuel were analyzed. The ideal time period for fuel processing has been identified, ensuring the preservation of its qualities and achieving the largest volume of hydrating additives. A pattern of evaporation of fuel with a gas additive over a certain period of time was also established. The results of a study of harmful emissions from marine diesel when operating according to the screw characteristic on fuel with a gas additive containing hydrogen are presented, and a conclusion is made about the suitability of this type of fuel for marine needs. This study will significantly advance the issue of energy efficiency, cost-effectiveness and environmental friendliness of the composition of the resulting additive.
distillate diesel fuel, cavitation, gasification, hydrogen-containing gas, physicochemical properties, propeller characteristics, harmful emissions
Введение
При использовании водорода в качестве топлива полностью отсутствуют вредные выбросы. Конечным продуктом при его горении является вода.
В дизельных двигателях водород может использоваться в чистом виде, а также в составе присадок к воздушному потоку или топливу [1–5]. Включение присадок в процесс не требует существенных модификаций в конструкции серийно выпускаемых дизелей, уже эксплуатируемых в настоящее время.
Присутствие водорода в топливной смеси приводит к снижению пиковых температур в области горения, где обычно происходит окисление атмосферного азота. Одновременно в этих же областях происходит обратный процесс: оксиды азота, сформировавшиеся в процессе сгорания, распадаются до молекулярного азота и водяного пара.
Научно-исследовательские работы по использованию водорода в дизелях в основном были посвящены применению водорода в чистом виде либо в виде присадок к воздушному заряду. В области применения водородных газовых добавок к дизельному топливу ранее исследований не осуществлялось.
Целью представленного научного исследования является получение водорода из дизельного топлива прямо на борту судна. Также в рамках исследования будет проведен анализ объема вредных веществ, выделяемых дизельным двигателем при работе с винтовой нагрузкой, когда в дизельное топливо добавляется газообразная водородсодержащая присадка.
Экспериментальная установка для получения присадки водорода в дизельном топливе
В соответствии с требованиями Российского морского регистра судоходства использование топлива с температурой вспышки менее 61 °С запрещено. Исходя из этого, внедрение водорода в дизельное топливо должно происходить без повышения температуры и последующего хранения образовавшегося газа на судне. В связи с этим для преобразования дизельного топлива в газообразное состояние используется метод кавитации.
Установлено, что при коллапсе парогазовых пузырьков, находящихся в жидкой среде, температура внутри них может подниматься до 1 500 °С, поскольку пузырьки могут резко сжиматься и расширяться под воздействием переменного локального давления, температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, а давление может превышать 15 МПа [6]. В таких условиях в дизельном топливе происходит деструкция молекул жидкого углеводорода и его преобразование в газ [7].
В лаборатории судовых энергетических установок Сибирского государственного университета водного транспорта была спроектирована и построена уникальная экспериментальная установка для извлечения водорода из дизельного топлива дистиллятного типа с использованием кавитационного процесса. Процесс газификации внутри корпуса установки осуществлялся при атмосферном давлении и комнатной температуре.
Установка разработана на основе известной и широко распространенной конструкции роторно-пульсационного аппарата (РПА) [8]. Для преодоления кавитационного барьера внутри корпуса РПА дополнительно установлены две центробежные ступени. Фотография опытной экспериментальной установки приведена на рис. 1.
Состав газовой смеси был исследован с помощью хроматографического анализа (результаты которого представлены в табл. 1), возникшего в дизельном топливе вследствие кавитации. При выполнении расчетов, представленных в табл. 1, из расчетных данных был исключен азот, входящий в состав атмосферного воздуха. Во время забора проб газовой смеси удавалось не полностью вытеснить воздух, который находился внутри, т. к. для функционирования хроматографа требуется гелий. Анализ компонентного состава газовой смеси, отобранной из установки, был произведен в ак-кредитованной лаборатории физико-химических исследований органических соединений, содержащихся в горных породах, нефти и газах, в составе Сибирского НИИ геологии, геофизики и минерального сырья (АО «СНИИГГиМС»). Определение проводилось на хроматографическом оборудовании модели НР6890, прошедшем сертификацию, с использованием методики СТО ИГ 026.11.
Рис. 1. Лабораторная установка для производства газообразного компонента с водородом из дизельного топлива
Fig. 1. Laboratory plant for production of gaseous component with hydrogen from diesel fuel
Таблица 1
Table 1
Химический состав газа
Chemical composition of the gas
|
Химический элемент |
Дизельное топливо (ГОСТ 305-2013). Концентрация, % об. |
|
|
Полный состав газа |
Пересчет на исключение азота |
|
|
He |
0,003464 |
0,013816143 |
|
H |
0,056352 |
0,224723124 |
|
O |
24,47703 |
97,60952837 |
|
N |
69,34365 |
0 |
|
CO2 |
0,309812 |
1,235471533 |
|
CH4 |
0,001184 |
0,004723551 |
|
C2H6 |
2,54Е-05 |
0,000101157 |
|
C2H4 |
2,40Е-05 |
9,58192Е-05 |
|
C3H8 |
1,00Е-05 |
4,00295Е-05 |
|
C3H6 |
1,46Е-05 |
5,82754Е-05 |
|
C4H10 |
0,000143352 |
0,000571671 |
|
C4H10 (Н-бутан) |
0,001080014 |
0,004306867 |
|
C4H8 |
0 |
0 |
|
C5H12 |
4,14Е-05 |
0,000165271 |
|
C5H12 (Изопентан) |
0,009888481 |
0,03943326 |
|
C5H10 |
0,007508534 |
0,029942516 |
|
C6H14 |
0,045611197 |
0,181888304 |
|
C6H14 (Н-гексан) |
0,016899557 |
0,067392042 |
|
C7H16 |
0,113695736 |
0,453395775 |
|
C7H16 (Н-гептан) |
0,030573873 |
0,121922473 |
|
C6H6 |
0,003115443 |
0,012423764 |
Затем были определены температура вспышки, плотность и количество испарившихся из топлива газообразных фракций с течением времени. Результаты исследований представлены в табл. 1, 2 и на рис. 1.
Таблица 2
Table 2
Температура вспышки стандартного и улучшенного дизельного топлива, °С (согласно ГОСТ 305-2013)
Flash point of standard and improved diesel fuel, °C (according to ISS 305-2013)
|
Дизельное топливо |
Через 10 мин |
Через 24 ч |
|
Без обработки |
65 |
65 |
|
После 5 мин обработки |
65 |
65 |
|
После 7,5 мин обработки |
64 |
66 |
|
После 10 мин обработки |
64 |
66 |
|
После 12,5 мин обработки |
64 |
66 |
Данные приводят температуру вспышки обычного дизельного топлива и дизельного топлива, подвергшегося модификации (в соответствии с ГОСТ 305-2013). Представлены значения, измеренные через 10 мин и через 24 ч после проведения обработки. В табл. 2 приведены результаты для необработанного топлива, а также топлива, обработанного в течение различного времени: 5; 7,5; 10 и 12,5 мин.
Согласно табл. 2 температура вспышки зависит от времени обработки дизельного топлива, находящегося внутри корпуса экспериментальной установки. Через 7,5 мин после начала процесса обработки температура вспышки уменьшилась на 1 °С. Через 24 ч хранения топлива с газовой присадкой в открытой емкости вспышки повысилась на 2 °С. Данный эффект обусловлен тем, что летучая газовая присадка, содержащаяся в дизельном топливе, испаряется в окружающую среду.
В табл. 3 представлены итоги замеров плотности дизельного топлива, подвергнутого обработке посредством кавитационного процесса.
Таблица 3
Table 3
Изменение плотности дизельного топлива (базового и с добавлением газовой присадки), кг/м3
Change in the density of diesel fuel (base and with the addition of a gas additive), kg/m3
|
Дизельное топливо |
Через 10 мин |
Через 1 ч |
|
Без обработки |
848 |
848 |
|
После 5 мин обработки |
846 |
846 |
|
После 7,5 мин обработки |
829 |
847 |
|
После 10 мин обработки |
834 |
847 |
|
После 12 мин обработки |
840 |
848 |
Результаты анализа данных, представленных в табл. 3, демонстрируют, что пиковое значение концентрации газовой фракции, присутствующей в модифицированном топливе, достигается на 7,5-й мин с момента старта процесса. После этого времени наблюдается активное удаление газов из объема реактора, что приводит к постепенному увеличению плотности модифицированного топлива.
Таким образом, для разработанного нами прототипа реактора оптимальная продолжительность обработки топлива, позволяющая получить наи-больший выход водородсодержащей добавки, составляет 7,5 мин.
На рис. 2 приведен график, отражающий динамику испарения пробы полученного на установке топлива, содержащего газовую присадку в течение 96 ч. Дизельное топливо обрабатывалось в установке в течение 7,5 мин.
Согласно рис. 2 в результате испарения со временем происходит потеря веса топлива с газовой присадкой, содержащейся в обработанном дизельном топливе газа. Важно подчеркнуть, что наиболее активное испарение наблюдается в первые 24 ч. Впоследствии данный процесс продолжался неук-лонно в течение двухнедельного периода. После полного высвобождения водородсодержащего газа в окружающую среду исчезает мутная непрозрачность и горючее приобретает прозрачность, идентичную исходному дизельному топливу.
Рис. 2. Динамика уменьшения веса образца топлива с газовой присадкой в количестве 200 г с течением времени
Fig. 2. Dynamics of weight reduction of a fuel sample with a gas additive in the amount of 200 grams over time
Результаты испытаний дизеля на топливе с газовой присадкой, содержащей водород
Для проведения сравнительного анализа использовался дизельный двигатель модели Ч10,5/12 (Д 21), оснащенный электрическим нагрузочным стендом (рис. 3).
Рис. 3. Фотография испытательного стенда
Fig. 3. Photograph of the test stand
Горючее с добавлением газообразного водорода производилось на специальном стенде непосредственно перед его использованием в двигателе внутреннего сгорания.
Концентрация нормируемых газообразных химических соединений и токсичности отработавших газов определялась прибором – газоанализатором «ГИАМ-29-М-4» (СПО «Аналитприбор»). При помощи него проводились измерения концентрации оксидов азота, монооксида углерода, суммарных углеводородов, диоксида серы и кислорода. Его паспортные значения соответствуют требованиям ГОСТ Р 31967-2012 «Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Нормы и методы определения».
На рис. 4 представлены итоги испытания дизельного двигателя, работающего как на стандартном топливе, так и на топливе с водородной добавкой (использованы следующие обозначения: NOx – уровень концентрации оксидов азота, ppm; N – показатель дымности выхлопных газов, измеренный по шкале Hartrige, %; СО – уровень концентрации оксида углерода, ppm; СН – уровень концентрации суммарных углеводородов, ppm).
○ – стандартное дизельное топливо ● – модифицированное дизельное топливо с газовой присадкой
Рис. 4. Выбросы двигателя Ч10,5/12 при работе по винтовой характеристике
Fig. 4. Engine emissions CH10.5/12 when operating according to the screw characteristic
Согласно рис. 4 использование водорода в качестве присадки к дизельному топливу сокращает выбросы при работе дизеля по винтовой характеристике.
Эксперименты проводились с дизельным топливом, соответствующим стандарту ГОСТ 305-2013. Варьировались параметры ультразвукового воздействия: частота в диапазоне от 20 до 40 кГц и мощность от 100 до 300 Вт. Продолжительность каждого эксперимента составляла от 30 до 60 мин. Контролировались температура топлива в реакторе, давление, а также состав выделяемого газа.
Заключение
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что процесс кавитации эффективно генерирует водород из дизельного топлива. С увеличением мощности ультразвукового воздействия наблюдается рост концентрации водорода в газовой смеси. Также повышение частоты приводит к более интенсивному газообразованию. Однако превышение определенного порога мощности и частоты может привести к перегреву топлива и образованию побочных продуктов.
Оптимальные параметры для получения максимального выхода водорода были определены экспериментально: частота – 30 кГц; мощность – 250 Вт. При этих условиях содержание водорода в газовой смеси достигало 15–20 %. Дальнейшие исследования направлены на оптимизацию конструкции кавитационного реактора и разработку системы отделения водорода от других газообразных компонентов для повышения чистоты получаемого продукта.
В дизельных энергетических установках, применяемых на водном транспорте, целесообразно использовать топливные смеси с добавлением водорода в роли газообразной присадки.
1. Gaivoronskii A. I., Gordin M. V., Markov V. A., Karpets F. S. Tekhnologiia promyshlennogo polucheniia vodoroda i ego ispol'zovaniia v transportnykh energeticheskikh ustanovkakh [Technology of industrial production of hydrogen and its use in transport power plants]. Dvigatelestroenie, 2022, no. 1 (287), pp. 3-20.
2. Abn-Jrai A., Tsolakis A., Megaritis A. The influence of H2 and CO on diesel engine combustion characteristics, exhaust gas emissions and after treatment selective catalytic NOx reduction. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, vol. 32, no. 15, pp. 3565-3571.
3. Avramenko A. N., Levterov A. M., Bgantsev V. N., Gladkova N. Iu., Kireeva V. N. Perspektivy primeneniia mikrodobavok vodoroda dlia uluchsheniia ekologicheskikh pokazatelei dizel'nogo dvigatelia [Prospects of using hydrogen microadditives to improve the environmental performance of a diesel engine]. Journal of Mechanical Engineering, 2019, vol. 22, no. 1, pp. 70-75.
4. Novikov L. A. Osnovnye napravleniia sozdaniia malotoksichnykh transportnykh dvigatelei [The main directions of creation of low-toxic transport engines]. Dvigate-lestroenie, 2002, no. 2, pp. 23-27.
5. Titov S. V., Iur G. S., Konovalov V. V., Deviatkin A. A. Issledovanie effektivnosti ispol'zovaniia gazovoi prisadki k vozdushnomu zariadu dlia snizheniia kontsentratsii oksidov azota v otrabotavshikh gazakh sudovogo dizelia. Transport. Gori-zonty razvitiia [Investigation of the effectiveness of using a gas additive to an air charge to reduce the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases of a marine diesel engine. Transport. Horizons of development]. Trudy I Mezhdunarodnogo nauchno-promyshlennogo foruma (Nizhnii Novgorod, 25–28 maia 2021 g.). Nizhnii Novgorod, Izd-vo VGUVT, 2021. Pp. 174-175.
6. Margulis M. A. Zvukokhimicheskie reaktsii i sonoliuministsentsiia [Sound chemical reactions and sonoluminescence]. Moscow, Khimiia Publ., 1986. 288 p.
7. Kapterev S. V., Iur G. S., Poslovina L. P., Stepanov V. G., Ione K. G. Poluchenie nizshikh olefinov nizkotemperaturnym pirolizom uglevodorodnogo syr'ia. Khimiia nefti i gaza [Production of lower olefins by low-temperature pyrolysis of hydrocarbon raw materials. Chemistry of oil and gas]. Materialy IV Mezhdunarodnoi konferentsii, posviashchennoi 275-letiiu Rossiiskoi akademii nauk i 30-letiiu Instituta khimii nefti SO RAN (Tomsk, 02–06 oktiabria 2000 g.). Tomsk, STT, 2000. Pp. 294-297.
8. Promtov M. A. Pul'satsionnye apparaty rotornogo tipa: teoriia i praktika [Rotary type pulsating devices: theory and practice]. Moscow, Mashinostroenie-1 Publ., 2001. 260 p.
